2023-02-06 14:43·
富平科普經(jīng)典物理學大家都學過，但有個問題可能沒有進一步思考過。在經(jīng)典物理學中，微分方程告訴我們，一旦確定初始狀態(tài)，所有粒子的未來運動狀態(tài)都可精確預(yù)測。比如衛(wèi)星什么時候經(jīng)過，什么時候落地，落在哪里，從原則上講，只要計算能力足夠，都可以精確預(yù)測。從這個角度看，世界似乎都是可預(yù)測的。但事實并非如此，在微觀世界中，在一定的條件下，一個粒子在某個位置出現(xiàn)是概率性的，對此經(jīng)典力學卻無法解釋。20 世紀初，在普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克等科學家的努力下，量子力學得以創(chuàng)立，從而解釋了微觀粒子的運動規(guī)律。量子力學是一種描述微觀物質(zhì)的理論，與相對論一起被認為是現(xiàn)代物理學的兩大支柱。
量子，不是指某一種粒子，而是構(gòu)成物質(zhì)基本單元的統(tǒng)稱，包括光子、原子、分子等。它是能量的最基本攜帶者，具有不可分割性。比如，水分子是具有水的化學性質(zhì)的最基本單元，不存在“半個”水分子。如果把一杯水進行分割，半杯、1/2 杯、1/4 杯，直到最后變成一個個水分子。這時，如果再分割，就變成 2 個氫原子、1 個氧原子，它就不具有水最基本的化學性質(zhì)了。
量子除了不可分割，還有一個有趣的特征，我們稱為量子疊加。1935 年，奧地利著名物理學家薛定諤提出一個思想實驗：將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在概率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就能存活。根據(jù)量子力學理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于“死貓”和“活貓”的疊加態(tài)。這只“既死又活”的貓，被稱為“薛定諤的貓”（圖 1）。如果一定要追問這只貓到底是死是活的話，必須打開箱子去看才會知道結(jié)果。這就是量子的特征：不觀測時，量子處于疊加態(tài)；一旦測量時，量子就表現(xiàn)出唯一狀態(tài)。這個實驗，試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題，巧妙地把微觀物質(zhì)在觀測后的存在形式和宏觀的貓聯(lián)系起來，從而論述了觀測者介入時量子狀態(tài)的演化。
量子力學是微觀世界的原理。宏觀世界中，貓不存在既死又活的狀態(tài)，但微觀世界中，這種現(xiàn)象比比皆是。比如，根據(jù)經(jīng)典物理學理論，光也是一種電磁波。光在真空中以 30 萬千米每秒的速度傳播。這種波的振動，一種是沿著水平方向振動，一種是沿著豎直方向振動。如果把水平方向振動叫作 0，豎直方向振動叫作 1，當把振動方向轉(zhuǎn)一下角度，按照 45 度振動時，就處于這兩種狀態(tài)的相干疊加，這個狀態(tài)就是量子疊加的狀態(tài)（圖 2）。
量子力學這些看似古怪的理論幫助人們加深了對微觀世界的理解，一個直接的結(jié)果就是構(gòu)建了現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件基礎(chǔ)。例如，半導體場效應(yīng)晶體管是建立在量子力學基礎(chǔ)上的，所以說量子力學直接促成了半導體晶體管的發(fā)明，以及現(xiàn)代意義上的通用計算機的誕生。再例如，利用量子力學來構(gòu)建原子鐘，利用原子內(nèi)部電子在兩個能級間躍遷輻射的電磁波作為標準，控制校準電子振蕩器，進而控制鐘的走動，用來進行衛(wèi)星導航等。
內(nèi)容源自《邁向自立自強——中國科技會堂論壇》（第1輯），中國科學技術(shù)出版社
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