东南大学物理系大一学生李岩正昏昏欲睡的,听着讲台上的导师滔滔不绝地讲述着,量子力学的各种算式。
李岩是以全国奥数第一的成绩被特招进入的东南大学。很快他发现,这并不是自己理想中的大学生活。
他对各种社团都不感兴趣,对老师布置的各种学业任务也不感冒。于是他就不顾父母的反对,自行改了专业,由原来的高等数学改为了高能物理。
因为害怕会继续琐事缠身,所以李岩便选择了最清闲也最无人问津的量子力学研究课题。
时间一晃过去了一个星期,李岩已经由当初的不屑一顾,变成了现在的彻底迷茫。
俗话说,“遇事不决,量子力学”。
学习了一个星期,李岩到现在也不知道究竟什么是量子力学?
就在李岩马上就要睡着的时候,一支粉笔头准确无误地命中了他的脑门,将他唤回了现实。
讲台上的导师,望着李岩和台下都在昏昏欲睡的学生,有些生气。他用力的清了清嗓子:
“我知道量子力学这门学问,听起来玄之又玄又难以理解,你们觉得枯燥无味也是正常。今天咱们索性抛开那些复杂的算式,来讲一点不一样的东西!”
导师这么一说,台下都在瞌睡的学生包括李岩,全都来了精神。纷纷竖起耳朵想听听,这个呆板的老学究,今天能讲出什么不一样的东西来?
导师再次清了清嗓子,重新开口讲解起来:
“现代物理学最先研究的就是我们最熟悉也最陌生的物质——光。
自从科学家发现世间万物皆是由最微小的例子所构成之后,人们便尝试破解,光这种物质究竟是由什么所构成的?
于是就有科学家猜想,如果把光这种物质,不停的放大切割,直到它再也不能切割为止,这时人们得到的就是构成光这种物质的最小粒子。科学家把它叫做光子。
光子的概念被提出之后,科学家就想去破解光子究竟是怎样的一种存在?
通过阴影效应和其它一些自然现象,人们观察发现,光是一种波。于是人们自然而然地认为光子也应该是一种波。
直到伟大科学家爱因斯坦。解释了光电效应之后,人们发现光子这种波竟然也具有粒子特性。
在科学家们的传统认知里,在客观自然界之中。波和粒子是完全不同的两种形态,是无法共存的。可光子既是波也是粒子,这就让人们陷入了巨大的认知矛盾之中。
于是物理科学家们就开始争论,光子究竟是波还是粒子?于是就有了双缝干涉实验。
有兴趣的同学可以去网上搜索一下,双缝干涉实验的具体内容。
为了有些比较懒的同学,理解起来方便,我还是用我的语言,简单通俗的讲解一下,双缝干涉实验究竟是怎么回事?
科学家用一把光子机枪,将单个的光子向一个方向不停地发射,使其穿过两道极其细小的缝隙,然后在一块屏幕上呈现出我们可以观测的影像。
如果影像是多道斑马状条纹,则证明光子在穿过两道缝隙之时,发生了干涉效应,就可以证明光子是一种波。
反之影像上则会呈现两道杠,那么就证明光子没有发生干涉效应,也就是说光子是一种粒子。
估计大家没听懂,不过没关系。大家只需要知道,双缝干涉实验,让物理学家们更加困惑,是因为这个实验过程里,有三个他们用传统知识无法解释的怪异现象。
我们知道光子机枪发射出来的是单个的光子,而它面前的却有两道缝隙。按照人们的传统理解,这颗光子要么从左边那道缝隙通过,要么就会从右边那道缝隙通过。
可实验结果却证明,光子是同时从两道缝隙通过。因为光子在通过这两道缝隙之后,发生了干涉效应,在屏幕上呈现多道斑马状条纹,这证明光子是一种波。因为只有波的形态,才能使一颗光子同时通过两道缝隙。
可是当科学家们在两道缝隙前面,架上高速探测机,想要捕捉光子穿过两道缝隙时的,具体情况的时候,却诡异的发现,光子是以单一粒子的形态,通过了单一缝隙。这是因为屏幕影像上显示的是两道杠,这表示光子是以粒子形态穿过的单一缝隙。
这个现象可以简单理解为,人们不去观察的时候,光子是以波的形态存在,而当人们想要去观察的时候,光子则表现为粒子形态。
随着科学技术的进步,科学家们发现在微观领域。不仅仅是光子,其它所有的微小粒子,例如电子、原子、质子,甚至一些大分子,它们都呈现光子这种既是波也是粒子的非常规形态。
物理学家们把这类微观粒子统称为量子。在这些微观粒子身上,所呈现的不符合常规物理知识的现象,可以归纳总结为一门学问,这就是量子力学。
爱因斯坦总结归纳了双缝干涉实验和其他一些科学家的研究成果,提出了“波粒二象性”:
“光是波也是粒子。光在传输的过程中,表现形态是波。当人们观察时,表现形态为粒子。”
波粒二象性描述了发生在光子身上的两个难以解释的奇怪现象。科学家们进一步在其他量子身上做实验,发现波粒二象性虽然难以理解不可想象,但却是真实存在的,也就是这个归纳出来的假说是正确的。
波粒二象性进一步推演,人们最终确定了量子领域的两条基本原理。
量子力学第一原理:微观量子既是波也是粒子。它的专业名称叫做“叠加态”。
量子力学第二原理:当你不去观察时,微观量子呈现叠加态。当你观察时,微观量子呈现确定态。通俗点讲就是,你不去观察时,量子即是波也是粒子。当你观察时,量子就会呈现,要么是波,要么是粒子的确定形态。它的专业名称叫做“不确定性”,也叫做“观察者原理”。
量子力学的这两条原理,有些烧脑。无法抛弃客观世界物理规律的人,难以理解。
下面我为大家打个比方,将微观量子领域的这两条基本原理,形象的带入我们所熟悉的客观物理世界,你就会发现这两条原理,有多么神奇和不可思议。
请大家在脑中构建这么一副场景(魔方实验):
假设有一个生产魔方的玩具厂,他们只生产两种形状的魔方。一种是方形魔方,另外一种是圆形魔方。
突然有一天,玩具厂的工人将他们工厂生产的一个魔方,放到了你手里,告诉你说,你手里这个魔方,它既是方形的也是圆形的。
现在你一定认为这个工人在胡说八道,因为你知道他们工厂生产的魔方只有两种形状,要么是方形,要么是圆形。
正当你准备喝骂对方撒谎之时,你抚摸这个魔方的手掌,所传回来的触觉告诉你,这个工人没撒谎,你手里的这个魔方竟然真的既是方形也是圆型。
这让你感觉到不可思议?这种既是方形也是圆形的感觉到底是怎么来的?
于是你翻阅了各种资料,做了各种验证,证明这个魔方的确是这家工厂生产的。
可是你知道这家工厂生产的魔方只有两种形状,不是方形就是圆形。可是为什么你手里的这个魔方,给你的感觉,它即是方形又是圆形呢?
接下来你想了三天三夜,终于想明白错在哪里了?
产生这种疑惑的根源就是你对这家工厂的认识完全错了。这家工厂生产的魔方,不是你认为的方形或者圆形,而是方形和圆形中间的一种状态,或者说是方形和圆形融合之后的一种状态。你给这种状态起了个名字,叫做“叠加态”!
这种叠加状态就会让你产生即是方形也是圆形的感觉。
这个实验进行到这里,你会感觉自己被骗了。于是你就疯狂的冲到那家工厂里面,亲手抚摸每一个魔方。然后你发现他们生产的每一个魔方,形状都是这种叠加态。
现在我告诉你,你手里的这个魔方和工厂生产的所有魔方,它们就是量子也就是微观粒子,那家玩具厂就是造物主。
造物主制造的量子或者说微观粒子就是这种叠加态形状。具体到光子来说,既是波也是粒子。
这就是量子力学里面最经典的第一原理,叠加态原理。