量子世界的5种诡异现象

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量子世界的5种诡异现象

 

尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾说,“如果有人在第一次和量子理论打交道时没有感到震惊,那他一定无法理解它”。就连理查德·费曼(Richard Feynma)这样的天才,都很有把握地说,“没有人懂量子力学”。
 
这或许是因为,对于生活在日常世界的我们来说,量子世界实在太反直觉了。量子领域出现了许多诡异的现象,让我们无法理解,甚至难以相信。但正是这种令人难以置信的理论,却成了目前最精准的理论之一,构筑了现代物理学的基石。
 
这里介绍5种诡异的量子现象,让我们前往量子领域一探究竟。

 

量子世界的5种诡异现象

 

 

在我们日常生活中,物体看起来都是连续变化的,比如从高处坠落的小球,一飞冲天的火箭,不断流淌的溪水……但从微观世界的粒子角度来看却并非如此。对微观粒子来说,变化的物理量存在一个“最小值”,这就好像爬梯子或者下楼梯,只存在一阶一阶的状态,而每一级台阶就是变化的最小量。
 
1900年,马克斯·普朗克(Max Planck)发表黑体辐射公式,假设电磁波(比如光)的能量不是连续发出的,而是以离散的“量子”形式释放,提出了能量的量子化假设。量子化开始仅作为一种数学技巧应用,但它却能够解释许多物理现象,成为量子力学中的基础概念。
 

 

量子世界的5种诡异现象

 

1935年,物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)为了质疑量子力学对叠加的诠释,提出了“薛定谔的猫佯论”。在他的思想实验中,他将微观的叠加态原理推广到了宏观领域。从直觉出发,猫处于“死”和“活”的叠加态听起来就十分荒谬。

 

然而有意思的是,它后来恰恰成了解释叠加的最著名例子。尽管我们从日常经验出发很难理解这个概念,但对微观粒子来说,同时处于不同的状态是可能的。如果我们把粒子比作玻璃珠,这颗玻璃珠放在碗中来回摇摆,在经典世界中,它要么出现在左边,要么出现在右边,而对粒子来说,它可能同时出现在左右两边,这就是叠加。

 

这一现象对量子信息技术非常重要。在经典计算机中,一个比特的状态只能是0或1,但量子比特却允许0和1的同时存在。利用这种原理,通过巧妙的算法设计,就可以达到快速计算的能力,这也是量子计算机的基础。

 

 

 

量子世界的5种诡异现象

事实上,叠加的状态是非常脆弱的。如果用薛定谔的猫的例子来解释的话,人们在打开盒子的一瞬间,猫的“既生又死”的状态就会因为人的观察而不复存在——它要么是活的,要么是死的。

 

在量子力学最著名的双缝实验中,如果向双缝发射电子,在没有观测的情况下,电子会处于“同时穿过左缝和右缝的叠加态”,从而在屏幕上产生干涉条纹。然而当观测者存在时,干涉条纹也就消失了,因为观测本身干扰了系统,退相干的现象就此产生。

 

目前,一些高精度的探测器,例如LIGO中使用的干涉仪,都是建立在量子性上,而退相干现象的出现正是这类精密仪器共同面临的主要问题之一。因为退相干的存在,量子计算机对运行环境的要求十分苛刻,这也是量子计算机发展中需要解决的关键问题之一。

 

 

 

 

量子世界的5种诡异现象

 

量子力学中的另一种最具代表性的诡异现象被称为纠缠,这是一种连爱因斯坦都无法理解的现象,他称之为“鬼魅般的超距作”。

 

简单理解,纠缠就好像是把量子“连接”在一起,无论相距多远,即使你把一个粒子放在地球上,另一个粒子送去另一个星球,它们之间也能保持着一种特殊的关系,并且瞬间共享它们的某些状态。

 

粒子在产生这样的相互作用后,它们之间就成了不可分的整体系统。这就好比,在课程表中只有语文课和数学课,那么它们在某种意义上也是“纠缠”的,只要知道其中一门课程的时间,就可以推算出另一门课的安排。类似的,在纠缠的量子系统中,通过其中一个的状态,就可以知道其他纠缠的粒子的状态。此这一现象在量子计算、量子通讯中发挥了重要作用。

 

 

量子世界的5种诡异现象

 

为了理解隧穿,我们可以把势垒想象成一座山。一个自身能量小于山峰势能的微观粒子位于山的左侧,按照经典世界的经验,这个粒子绝对爬不到右侧。但是当你过段时间再去观察这个粒子,你可能会发现它通过“穿山而过”成功抵达了右侧,这种“穿越”的现象就叫作量子隧穿效应。

 

隧穿是微观世界特有的现象,正如大卫 · 格里菲斯(David Griffiths)教授在他的量子力学教材中所写,“即使粒子也有被比自身能量低的势垒反射回来的概率,我也不建议你开车驶下悬崖指望量子力学来救你”。

 

因为隧穿效应的存在,放射性元素能够发生α衰变,从而带来了自然中的元素演变。除此之外,隧穿效应也是现代电子学技术的基础之一,促进了电子显微镜的发展,比如扫描隧道显微镜就是根据隧穿效应的原理而制成的。

 

原文始发于微信公众号(原理):量子世界的5种诡异现象

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slduo
  • 本文由 发表于 2021年6月20日20:54:03
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