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1 # 七四豆根錘
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2 # 科學聯盟
題主你好。我記得去年我回答過另一個問題,是關於相對論的。現在,我來談一談量子力學。量子力學我也談過幾次,但是主要是拆量子力學的臺。這次我打算正說一次量子力學。量子力學是物理學的一個很重要的理論,它和經典力學是完全不一樣的理論。
在過去很長一段時間裡,我們常把二十世紀以前的物理學稱之為“經典物理學”。把二十世紀誕生的兩個物理學理論,即相對論和量子力學,稱作為非經典物理學。但是,經過將近半個世紀的探索,物理學界最終取得一個認同,把只要是不具有量子力學效應的物理理論,包括非量子化的相對論,都叫做“經典物理學”。因此,“經典”二字指的是“不具有量子效應”!為什麼相對論和牛頓力學都可以劃到經典力學裡面去呢?我們來看看,相對論和牛頓力學除了有不同之處外,還有什麼相同之處。
事實上,相對論和牛頓力學都是認為客觀世界是決定論的,只要我們知道某個時間下,整個宇宙的狀態函式,然後知道了宇宙的動力學方程,那麼我們就能準確預測出下一個時刻(很短的時間間隔)的宇宙是什麼樣的。這就是拉普拉斯決定論。但是這麼樸素的想法,在量子力學卻無法做到!量子力學的一個很重要假設就是,無論時間多麼短,我們都無法準確知道在這樣段時間後的宇宙究竟是什麼樣!這就是非決定論。
非決定論來自於量子力學的一個重要假設:一切物理狀態皆由波函式給出,而且波函式服從玻恩詮釋。玻恩詮釋指的是波函式的複數模平方等於在單位體積內粒子能出現的機率。這個說法和數學裡面的機率有一些相似。沒錯,物理學自量子力學建立那天起,就在也離不開機率,或者說再也無法避免機率的陰霾。這條假設的後半句,到現在都沒有人真正理解其背後的物理機制!為什麼波函式會服從玻恩詮釋,是什麼原因導致機率出現。這些問題其實一直無法被物理學家清晰而明確地解決。
量子力學另一個神奇的假設是關於疊加原理的,這個原理一般會引起很大的歧義:波函式可以分解為一系列相干波的線性疊加。這裡面的歧義就是,雖然它和經典力學裡面波的疊加原理很像,但是卻不是一回事。經典力學的疊加原理是讓兩列波相加,但是加的結果和原本兩列波沒有一分錢關係!而量子力學卻不是,在量子力學裡面,波相加的結果是:新的波可以是原來兩列波中的任何一個,也可以同時是兩列波。這個很抽象,用宏觀現象類比就是,經典力學認為一個杯子要麼處於地上要麼處於桌子上,二者只能居其一;但是量子力學認為,杯子既可以在地上又可以同時在桌子上,二者可以兼得!
說了這麼多都是關於量子力學的假設,那量子力學到底是什麼?量子力學其實是基於微觀粒子的波粒二象性的一種物理理論,它的研究物件是微觀粒子極其組成的客觀實體。因此,無論是宏觀還是微觀,都屬於量子力學的研究範疇!這裡面有一個名詞:波粒二象性。什麼是“波粒二象性”?它指的是,對於粒子和波來說,都是既具有波動性,又具有可局域化的粒子性。對於粒子來說,我們可以指著空間一點說,這一點有一個粒子,其附近空間裡沒有粒子;而波則不行,波是空間裡面一種集體行為,不能說一個點上有波,其他點就沒有波。但是,真實的粒子卻兼具著兩個性質。這才是量子力學神奇之處!我曾經討論過如何理解“波粒二象性”,波粒二象性是不能按照經典力學的粒子和波的理解方式來理解的,也就是說,我們要放棄經典力學的粒子觀和波動觀,建立屬於量子力學的波和粒子。也就是說,量子力學裡面的粒子和波都是既有集體行為,也有局域性的。
量子力學是一個十分成功的理論,二十世紀科技革命,和量子力學的關係遠遠大於和相對論的關係。從核武器的研製成功,到半導體技術,隨處可以看到量子力學的身影。可以說量子力學是一個無所不能的理論。化學、生物也都在量子力學建立以後和物理學相互融合——也可以說物理學開始吞併化學和生物了。
這麼有用的理論,普通人能否理解呢?其實,連物理學家也只能理解量子力學的計算,不能理解為什麼能這樣計算!這就是量子力學“不講理”的地方。也是量子力學值得深入研究與發展的地方。作為普通人,尤其是不和物理學打交道的人,稍微瞭解一點量子力學即可——或者說不被市面上的“量子黑科技”所騙了就行了。
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3 # 螞蟻科學
量子力學是什麼?
量子力學是研究微觀世界基本粒子的性質的一門學科,也是現代物理學的一大支柱。
普通人能讀懂嗎?
這個問題要看你自己對讀懂的定義了,就量子力學這門學科來說,想要研究個透徹,普通人不行;想要搞清楚個大概,普通人也不行;想搞清楚原理,普通人很困難;像我們這樣的普通人,面對量子力學最多也就只能強行接受它的結論和觀點而已,這也不是什麼不好的事,畢竟量子力學很多的結論都是被證實是正確的。
為什麼我這麼說呢?
要弄懂一門科學,比如萬有引力,普通人能做的也就只有強行接受“任意兩個有質量的物體之間存在天然的吸引力,其吸引力的大小與兩物體之間的距離的平方成反比”這樣一個觀點而已。如果你想要深入的研究萬有引力的規律,你就必須要有數學基礎,至少要能看懂F=GMm/r²,還要會看懂這個公式引申出來的各種變形公式,看懂這些才只能說你可以研究萬有引力的規律,對萬有引力的本質仍然不清楚。如果還要研究萬有引力的本質,你需要更高的數學知識,你需要看懂並理解廣義相對論裡對引力的描述,也就是引力場方程。
接下來再扯到量子力學,同樣的道理,我們普通人對量子力學也只能強行接受它的觀點。
波粒二象性:所有的粒子或量子不僅可以部分地以粒子的術語來描述,也可以部分地用波的術語來描述。
疊加態:在沒對粒子做“觀察”時,粒子同時處於所有有可能的存在狀態的疊加。我用人話解釋一遍:假如一個粒子有可能向左運動,也有可能向右運動,在沒對這個粒子觀察時,這個粒子處於同時向左也向右的狀態。(很扯哈,可這是真的)
波函式坍縮:當對一個處於疊加態的粒子觀察時,粒子會從疊加態的模糊狀態坍縮成一個確定的狀態呈現在人們眼前。再用人話解釋一遍:當一個粒子處於向左又向右的疊加態時,如果我們去觀察它到底是向左還是向右時,粒子會從這種模糊狀態“完全隨機地”選擇一種確定狀態來呈現在人們眼前,或左或右,反正就一種狀態。
量子糾纏:兩個有聯絡的粒子,無論相隔多遠,其中一個粒子的狀態發生變化時,另外一個粒子的狀態必定瞬間發生變化。
同樣的,這些觀點是正確的,但它很抽象,且就表面敘述來看,這些規律離普通人的生活比較遠,普通人連線受它都比較困難,要理解它談何容易,要理解量子力學,需要極高的數學知識和邏輯思維,也就是說你得看懂這些東西。。。
普通人:這是人能看懂的嗎。。。
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4 # 飄雲252268919
量子理論是一門探索微觀世界的科學並非巫術通俗的解釋一般的人都可以接受我們先來談一談經典的量子理論。上世紀初葉由玻耳,普朗克,愛因斯坦首先提出了微觀粒子(電子,光子,原子)在微觀世界的量子化運動並進行了卓越的工作從而奠定了經典量子理論的基礎,這一論述由兩個確定的部分組成先用經典力學的方法來說明問題,然後只保留那些符合量子條件的運動。對於自由度為f的體系其量子條件是∮pdq=nh式中p運動離子的動量,dq為某一自由度上座標值的微分,h是普朗克常數,∮表示一封閉系的積分。n就是該自由度上的量子數.n是一個系列數表示了有多個量子運動。n可以為(1.2.3...)也可以為分數(½....)既半量子數等。我們把體系中的這些量子化運動的能量稱之為能級並可以求得體系的光譜當吸收一定頻率的光則可以從低能級向高能級躍遷,當發射光則由高能級或激發態向低能級躍遷。玻耳據此發展了氫的光譜理論,並繪製出氫光譜線圖並由此而求得能級圖。這也是早期量子理論的最大成就。並由此積累了原子結構的許多知識。經典的量子理論或稱舊量子理論對於氫一類的單電子原子如氦,鋰等有很好的解釋但是對其他任何原子的真實能級都無法計算。舊量子理論由於其固有的缺陷已經無法繼續前行。人們不得不探索新的途徑。微觀粒子“離,波”二重性是基本物理特性,以光子為例當發射單個光子時它表現為離子性,當發射光束時表現為波動性並且時而是離子性時而是波動性。事實證明光子在微觀世界的運動不遵循經典的牛頓力學定理而是服從波動定理,同時實驗證明無論是光的衍射還是光電效應都遵循著量子化的規律。現在我們再以電子運動為例微觀下的電子運動一樣的只服從波動定理其匯出的基本關係式為,E=hν式中E為能量ν為波動頻率h為普朗克常數(上式也稱為愛因斯坦關係式)。電子繞核運轉的軌跡實際上被稱之為電子雲,依據波動定理和人類現有的觀手段存在一個測不準的原理因此要確定電子瞬間狀態十分困難,而且還受限於人的觀察次數和觀察行為。對於已知初始條件預測必然發生的結果我們通常用普通的高等數學既可例如經典的量子理論,但是對於所給的資料,資料不足以確定結果時我們採用數理統計的方法。這一方法是以機率論為基礎是我們對具有偶然性(或不確定性)事件作出合理判斷的有效手段,例如電子運動是典型的楷率事件我們可以求得在三維空間某時電子出現在某一點的機率數並進而統計計算得出電子出現最大機率的時點。這便是俗稱的統計力學他是研究數值度量和資料分析的一個數學分支並使得用機率論計算偶然性的方法得到實際運用和發展。他廣泛應用於科研,探索,生產實際中如航空航天,水力,化工,建築及人口統計中。他的結論也帶有一定的偶然性。量子力學正是運用了統計力學這一有效的手段解決了無數的難題並且在微觀世界的探索中取得了令人震驚的成就。量子力學同時也是建立在實驗上的科學,人們總是要建立若干模型和假設並用實驗來驗證量子力學計算的結果保留正確的剔除錯誤的。前面的論述都是單個微粒現在我們需要由單個原子,分子的性質和知識來確定分子和原子體系的性質和相關知識,這必須運用到量子統計力學的知識。有三種常見的型式 ,一、體系中含n個不同離子的情況我們用Maxwell_Boltzmann統計計算方法。二,體系中含有n個不可分辨的粒子而且要求在交換兩個粒子時完全波函式是反對稱的則用Fermi_Dirac統計法。三,體系中含有n個不可分辨的粒子而且要求在交換兩個粒子時全波函式是對稱的。則用Bose_Einstein統計計方法算方法。量子力學的推導過程是這樣的,先對波動方程和愛因斯坦關係式聯立求解並在X,Y,Z三個維度上進行微分並進一推匯出薛定鄂方程。量子力學的計算中引入了特別的函式和算符這些算符包含粒子的物理特性和算符的特殊演算法。量子力學除運用微積分 數理統計外還用到了群論矩陣等計算方法,量子力學是一門前沿科學需要完整的數理化知識。許多人窮其一生也未能觸控到它的頂點。那麼量子力學在微觀世界的探索中取得了那些成果呢。一,原子結構。透過量子力學的計算我們可以獲得電子執行軌道的量子數從而掌握了電子繞核運動的分佈情況。並可計算出能級圖。二,分子結構。分子是以價力結合在一起的穩定原子基團由於核的質量遠大於電子核的位置相對固定電子則以高速運轉著,運用量子力學和群論矩陣的計算方法我們可以求得分子的執行軌道。三,共價鍵。四,分子光譜學。五,反應速度等……應該說量子力學的探索還見不到盡頭。
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5 # 物理思維
量子力學是物理學的基本規律,泛泛地說現代物理學的基礎是量子力學和相對論,但相對論的應用明顯沒有量子力學多,所以如果你認為量子力學就是現代物理學的全部基礎,也沒有太大問題。
懂了量子力學,最大的好處還不在於能夠理解最新的科學發展,更在於有可能實際進入一線從事科學研究。說白了,懂了量子力學,想成為科學家是分分鐘鐘的事。
那麼普通人能夠成為科學家嗎?或者我們需要那麼多科學家嗎?我認為未來的趨勢是知識社會。知識普及,產業升級是大勢所趨,未來社會人人都是科學家,在星際迷航的時代,量子力學是每個量子技師必須掌握的基礎技能。
這本書是量子力學的標準教材。這個未來,在一兩代人裡就能實現,換句話說每個年輕人都要為這個未來做準備。
那麼量子力學普通人能學懂嗎?
量子力學,從無到有確實很難,但如果已經有了,普通人掌握起來還是容易的。但也需要注意,一定要有合適的老師,防止跑偏,要有好的教材,一步一個腳印的去學,最後一定要有實踐的機會,所謂實踐就是有機會做物理實驗。
能同時滿足以上三個條件的地方就只有大學了,特別是擁有不錯物理系的大學。其實這樣的學校不少,中國排名前50位的大學肯定都可以,以後這個數字只會越來越多。
因為我教過量子力學,同時一直在網路上寫量子力學相關的帖子,所以接觸過不少對量子力學感興趣的朋友。但我感覺這些朋友很多都不是普通人,因為他們大多對帶點神秘色彩的東西感興趣,他們瞭解量子力學都有些非科學的目的,比如用量子力學來帶帶自己的私貨。
費曼的這本書非常不錯,是由針對普通人的演講整理而來的,而且很深刻。這裡我想說,僅僅是興趣,僅僅是勤于思考,很難使我們進步或少犯錯誤。科學之所以能進步,是因為它是實踐性的,什麼時候你用量子力學做實驗了,哪怕再簡單,或者再困難,只要你認真對待,總能取得進步,並且在這個過程中你會自然而然地糾正對量子力學的錯誤認知。
所謂在游泳中學游泳就是這個道理,這也是我一直對科普概念保持懷疑,只相信科學教育和科學研究才是普通人瞭解科學的唯一途徑的理由。
其實大多數科學家也就是普通人,說喜歡量子力學的人,就不要再葉公好龍了,拿起教材慢慢讀吧。
從產業發展的角度,量子材料,量子資訊和量子計算有可能是下一個風口,給摩爾定律“續命”將會給未來帶來更多技術創新的機會。
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6 # 金童希瑞
量子力學是關於金屬氫的物理學。
金屬氫是激發態的物質——等離子體。在太陽系裡,太陽初級射線進入地球磁場產生金屬氫,金屬氫的“磁力矩”切割磁力線釋放電磁波;電磁波的傳播離不開金屬氫“磁力矩”的震盪,具有波粒二相性。
熱核反應是金屬氫的“磁力矩”互相切割聚合形成的新元素在衝擊波層流裡反覆裂解為金屬氫形成了連續的爆炸——鏈式反應;可見,熱核反應質量守恆,物質不會轉化成能量——電磁波。
相對論試圖把微觀的量子力學與宏觀的經典力學聯絡起來,但是受科學技術的侷限,在沒有發現金屬氫的情況下,錯誤地認為物質可以轉化成能量(電磁波)。這樣,物理學只能在概念混亂的情況下藉助數學來表達物質(金屬氫)與能量(電磁波)的關係。
公理:物質是金屬氫聚合形成的;磁場裡高速流動的物質轉化為金屬氫,金屬氫的“磁力矩”切割磁力線是釋放電磁波。
經典力學與量子力學並沒有根本的區別,需要注意的是概念與理論的完善!
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7 # 宇寧語錄
量子力學很簡單三個重要現象:量子糾纏、量子疊加和量子塌縮。
宇宙中基本粒子小到一定程度,聚集在一起表現出一些波的特性,超遠距離的量子糾纏現象更是說明波場的存在,光的傳播速度如此之快,並不是說一個光子從起點A跑到終點B,而是光子波動狀態的傳遞,藉助光子波場的存在將光子的啟用狀態向周邊空間蔓延。就像水面的波浪水分子大多是原地縱向波動,橫向位移很小。
科學家無法藉助現有工具觀測和研究,電子顯微鏡把電子束打向觀測物質,在外部磁場或電場的作用下電子束髮生彎曲,形成類似於可見光透過玻璃時的折射現象,利用這一物理效應藉助計算機的後期運算從而成像。
但現在問題來了,用電子顯微鏡觀測量子形態,無異於用籃球打到乒乓球上,勢必會影響乒乓球的運動狀態,所謂測不準原理只是現在的觀測工具技術跟不上。
量子力學的發展讓我們擺脫經典力學的枷鎖拓寬思路,打開了通向微觀未知世界的大門,探索宇宙過程中又多了一個有力工具。
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8 # 郎樂
粒子,量子,夸克,光子,電子,以態,就算你讀懂了,又能怎樣?(最好別懂,從頭再來)。
重力,反彈力;動力,阻力;摩擦力,浮力;萬有引力,壓力。最好深思。
讀懂的人,請問,量子與力學究竟什麼關係?
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9 # 星球上的科學
量子是現代物理學中的一個重要概念,即是一個物理量的最小不可分割的基本單位。而量子力學與經典物理學有著根本的區別,量子力學提供了全新的原理以及不一樣的思考方式。
在量子的世界內,可以不必遵循經典物理學定律,因此人們對量子世界的探索一直達不到預期狀態。我們知道愛因斯坦是一位傑出一位科學家,解開了無數謎團,但是世界上有一個奇怪的現象。
愛因斯坦對此也感到困惑,並把這種現象稱為"遠處的怪異行為",通常也被稱為"量子糾纏",量子糾纏是量子力學中的一種詭異現象,今天我們就要來認識可怕的量子世界。
量子力學的真相。最開始,人類對於微觀世界的理解還是依靠牛頓的經典物理學,自從普朗克和愛因斯坦奠定了量子力學的基礎之後,人類才正式開始對量子力學以及微觀世界的研究。
量子力學是描述微觀世界的一種理論,主要是描述原子和亞原子尺度的物理學理論 ,與相對論一起構成現代物理學的理論基礎,也是現代物理學最基礎的理論之一。
根據量子理論,粒子的行為像波,用來描述粒子行為的“波函式”可以預測一個粒子可能的特性,比如其位置與速度,而非確定的特性。量子力學的問世徹底改變了人類對物質組成成分的認識。
如今在現代社會中, 量子力學已經廣泛應用於量子化學、量子計算、超導磁體、 發光二極體、電晶體和半導體如微處理器等多個領域。
簡單的理解量子力學,那就是用來研究微觀世界的理論,在量子力學中還有一些物理學中比較怪異的概念,就如糾纏和不確定性原理。
量子糾纏。愛因斯坦也將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠距作用”,是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的一種現象,比較詭異。
距離遙遠的兩個粒子中,一個粒子的行為會影響到另一個的狀態 ,當其中一個粒子的狀態發生變化,另一顆也會即刻發生相應的狀態變化,無視距離和速度,並且速度遠遠超過光速。
量子糾纏被譽為是最難理解的自然現象之一,而所謂量子糾纏的主要意思就是幾個粒子在互相作用後,本來各自的特性將會變成整體的性質。
而單個粒子的性質沒辦法無法更好被描述出來,只能描述出整體的性質,在未來,我們科學家也希望可以利用這樣的粒子糾纏來建造量子計算機,進行超高速計算 。
薛定諤的貓這是量子力學中一個著名的思想實驗,也是一個腦海風暴,大致是這樣的:假設有一個密閉的箱子,裡面關著一隻貓,還有微觀的放射性原子,一個可以檢測原子衰變的裝置以及一個毒氣釋放裝置,而這個放射性原子的半衰期是一個小時,一個小時內可以產生一個粒子,也可能不產生。
這也就是說,如果原子衰變,小貓死;原子未衰變,小貓活。因為原子的衰變不可確定,因此小貓的生死也不確定,只有在開啟箱子的時候,才知道小貓是活的還是死的,那麼在開啟箱子之前,裡面就是一隻“既是死,也是活”的貓!
根據量子力學理論來看,由於放射性的原子是處於衰變和未衰變兩種狀態的疊加,那麼貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態,但是,現實生活中是不可能存在既死又活的貓,必須在開啟容器後才知道結果 。
這個實驗巧妙的直接把微觀世界的狀態引到了可以直觀理解的宏觀世界來,而玻爾之前的說法是在開啟箱子之前,原子是處在“衰變”與“未衰變”的疊加態,當開啟箱子來看,這個觀測的動作即疊加態就發生了坍塌,穩定地處於其中一種狀態。
這個思想實驗已經成為了量子力學最經典的問題,也是量子理論的一塊試金石,並且隨著量子力學的發展,薛定諤的貓還延伸出了平行宇宙等物理問題以及一些哲學爭議。
結語。在所有物理科學理論中,量子力學被認為是一個最精確的理論,而且在很多的研究者眼裡,量子力學還是十分反直覺,這主要是因為關於量子,至今還沒有一個人能夠真正理解,並且這其中也包括量子力學的創始人們。
物理學家曾說過,“量子力學沒有人可以理解”,從這句話中也可以看出量子力學所描述出的客觀世界是很難理解,量子力學的創始人都無法理解透徹的東西,沒有接觸過的普通人自然就會覺得很神秘了。
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可以,上古卷軸5自由度非常高,可以自由組合任意職業,事實上遠端用法術,近戰用雙手劍就是不錯的組合。