有人說(shuō):想要學(xué)好量子力學(xué),必須具備良好的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ),若不然,看量子力學(xué)的書籍就會(huì)像看天書一般,密密麻麻的全部都是物理理論與數(shù)學(xué)公式,簡(jiǎn)直一個(gè)字都看不懂,而我卻認(rèn)為:良好的數(shù)學(xué)及物理基礎(chǔ)的確是可以幫助我們快速的學(xué)好量子力學(xué),但是數(shù)學(xué)及物理基礎(chǔ)卻并不是必要條件,學(xué)習(xí)量子力學(xué)最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要有舍棄觀念,一定要舍棄一些看似正確的理論,還要舍棄一些在經(jīng)驗(yàn)世界中總結(jié)的真理,因?yàn)檫@些在微觀量子世界中統(tǒng)統(tǒng)都不適用,那么學(xué)好量子力學(xué)的第一步,就從接受這三個(gè)看似荒謬的理論開始吧!
這三個(gè)看似荒謬的理論是什么呢?
1,光,其實(shí)是由不連續(xù)的能量單位組成的電磁波
2,物質(zhì)的是由具有波動(dòng)性質(zhì)的粒子構(gòu)成的
3,不論是光、粒子,還是物質(zhì),都具有不連續(xù)值的內(nèi)稟角動(dòng)量,也可以成為自旋。
可能很多人看到這三個(gè)理論的時(shí)候并沒(méi)有感到荒謬,因?yàn)楦究床欢裁匆馑?,接下?lái)我們大家詳細(xì)的說(shuō)一說(shuō)這三個(gè)理論,看看它們到底是如何荒謬的?
光是電磁波的一種,這個(gè)只要是有一些物理常識(shí)的人都知道的,那么電磁波又是什么呢?從電磁理論來(lái)說(shuō)是:震動(dòng)電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)、震動(dòng)磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的傳遞,既然光是波,那么光肯定就是連續(xù)不斷的,因?yàn)椴贿B續(xù)的波是無(wú)法傳遞的,而且從視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)上來(lái)講,我們也從來(lái)沒(méi)有見過(guò)獨(dú)立的光子或者數(shù)量極少的光子,所以我們常識(shí)性的認(rèn)為光是連續(xù)的,但事實(shí)上真的是這樣嘛?
其實(shí)不然,在1900年,德國(guó)物理學(xué)家普朗克在研究黑體輻射時(shí)發(fā)生了一個(gè)足以震驚世界、撼動(dòng)傳統(tǒng)物理學(xué)的現(xiàn)象,即能量的傳遞是不連續(xù)的,而是由一段、一段的能量子組成的,這個(gè)最小單位的能量子究竟有多大呢?
根據(jù)量子力學(xué)理論,能量的最小單位=hν,h是普朗克常數(shù),h=6.62606896(33)×10^(-34) J·s,v代表頻率,如果我們想要計(jì)算一段光或者一個(gè)光子的能量,只需要用hν,即6.62606896(33)×10^(-34) J·s乘上光的頻率就可以得到結(jié)果了,總之是非常非常小,即使在一平方厘米的面積里,也會(huì)數(shù)量有超過(guò)一萬(wàn)萬(wàn)億的能量子,這個(gè)數(shù)量實(shí)在是太龐大了,導(dǎo)致在宏觀世界中,光子的粒子性并不明顯,所以我們看起來(lái)光才是連續(xù)的。
物質(zhì)是有粒子構(gòu)成的,這句話我們很好理解,因?yàn)槲覀內(nèi)粘K芤姷降奈镔|(zhì)大多數(shù)都是由原子構(gòu)成的,那么具有波動(dòng)性質(zhì)的粒子是什么意思呢?
準(zhǔn)確來(lái)說(shuō),不僅僅粒子具有波動(dòng)性,世界上所有的物質(zhì)都具有波動(dòng)性,這是德國(guó)物理學(xué)家德布羅意通過(guò)普朗克常量與相對(duì)論推導(dǎo)出來(lái)的,并且得出了一個(gè)德布羅意波波長(zhǎng)公式,即λ=h/p(mv)。
其實(shí)我們可以使用德布羅意波長(zhǎng)公式計(jì)算出任何物質(zhì)的波長(zhǎng),但是普朗克常數(shù)h實(shí)在是太小了,所以在計(jì)算宏觀物體的波長(zhǎng)過(guò)程中,我們普朗克常數(shù)h比上一個(gè)宏觀物理的動(dòng)量,那么得到的數(shù)值將會(huì)異常的小。
舉個(gè)例子:如果我們計(jì)算棒球的德布羅意波,那么得到的棒球波長(zhǎng)是原子核半徑的萬(wàn)億分之一,這個(gè)數(shù)值別說(shuō)無(wú)法用肉眼觀察,就算是用最先進(jìn)的電子顯微鏡也觀察不到,所以宏觀物體的波動(dòng)性實(shí)際幾乎是感知不到的,但如果我們計(jì)算一個(gè)電子的德布羅意波,那么電子的波長(zhǎng)與原子半徑相當(dāng),電子周圍伴隨著波長(zhǎng)如此大的波,那么電子的波動(dòng)性就會(huì)很明顯了,所以我們稱電子是具有波動(dòng)性的粒子。
內(nèi)稟角動(dòng)量,或者自旋,這個(gè)概念要比上面的兩個(gè)難理解的多,這個(gè)自旋與宏觀物體沿中心對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不同,我們可以將粒子的自旋理解成一種在宏觀世界找不到類比的特殊屬性,它是粒子與生俱來(lái)的性質(zhì),當(dāng)兩個(gè)粒子相距的特別近時(shí),粒子的物質(zhì)波會(huì)發(fā)生重疊,那么兩個(gè)粒子就會(huì)變現(xiàn)出類似于兩個(gè)自旋物體接近時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象,于是物理學(xué)家將這種粒子與生俱來(lái)的屬性命名為:自旋,但奇怪的是,這種自旋是不連續(xù)的,也就是說(shuō)自旋的數(shù)值只能取某一些特定數(shù)值的整數(shù)倍,這是量子化的特征,以后的文章還會(huì)仔細(xì)的講,這里就不過(guò)多的介紹了。
總結(jié)來(lái)說(shuō),這三個(gè)理論看似荒謬,甚至是違反了物理常識(shí),卻是真實(shí)存在于微觀量子世界的,我們要知道,對(duì)經(jīng)驗(yàn)世界相違背的理論并不是量子力學(xué)獨(dú)創(chuàng)的,想一想當(dāng)初人們?nèi)绾渭ち业姆磳?duì)地心說(shuō)?想一想伽利略為何會(huì)登上比薩斜塔去扔那兩顆鐵球?要知道牛頓提出的第一運(yùn)動(dòng)定律的背景是1600年前亞里士多德的回歸狀態(tài)論,量子力學(xué)誕生至今才短短100多年,雖然目前量子力學(xué)中諸多理論看起來(lái)十分荒謬,但不能否認(rèn)的是,量子力學(xué)對(duì)于后來(lái)的電子工業(yè)發(fā)展做出的巨大的貢獻(xiàn),而且量子力學(xué)也是目前最精準(zhǔn)的物理理論之一,量子力學(xué)不是魔鬼,更不是唯心主義,如果我們能夠了解量子理論之后,我們才會(huì)發(fā)現(xiàn):其實(shí)量子世界并不神秘,反而十分有趣。
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