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为什么知乎上很多人反驳《相对论》，却很少人反驳《量子 ...

2023-4-11 19:29| 发布者: wanhu| 查看: 133| 评论: 3

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名表鉴定大师 2023-4-11 19:31 引用

民科搞不懂量子力学呗。双缝实验是啥，怎么观察，为啥是波为啥是粒子估计都搞不懂。相对论喷起来比较容易。第五部分回溯第十九章物理和数学 (上）想简单搞懂看这。
第三节神奇的量子量子力学是一个现代人很熟悉的名词，但是能理解的人却要少很多，在于量子的行为非常的奇怪。在讲量子力学之前，先讲一下构成原子的粒子都有什么。原子这个概念可以追溯到古希腊时期的德谟克里特，他认为物质可以细分为不可细分的颗粒原子。现代物理学重复使用了原子这个概念。但是原子有很多种，所有的原子都由原子核和电子组成，原子核中包括质子和中子。质子带一个正电荷，中子不带电，电子带一个负电荷。一个原子中质子和电子数量相等，形成电中性，质子和中子数量相近。原子核占有原子的绝大多数质量，但是占据空间非常小，电子在原子核外，质量在原子中占比非常小，但是移动速度快体积小却空间占比非常大。元素周期表中的一百多种元素都是由质子、中子和电子这三种粒子构成。质子的个数决定了是何种元素，原子核外的电子排布方式决定了元素的性质，而电子排布方式和后续要介绍的费米子和泡利不相容原理有关。电子形成多个电子层，最外层和次外层电子的数量影响了原子的化学属性，因为不同的化学属性，多种原子形成了多样的化合物。特别是碳，氢，氧，氮等几种元素成为了生命最基础的构成元素。但是构成方式的复杂性远远超出了一百多个元素，形成了极其多样的蛋白质等大型分子，通过极其复杂的化学反应形成器官，组织，生命。

简单介绍了原子的基本结构和元素的构成之后，让我们进入量子的世界。量子力学的内容很多，我们从黑体辐射/光电效应，双缝实验，波粒二象性，薛定谔方程，延迟选择/擦除实验，量子纠缠，费米子/玻色子，玻色爱因斯坦凝聚，真空中的卡西米尔力等实验和现象入手进行分析吧。首先在黑体辐射中，普朗克通过观察黑体中辐射出的能量只有假设为每次出一个极小量的整数倍后才能和现象符合。而爱因斯坦发现在光电效应中用很弱的紫外线都可以照射出电子，但是用很强的可见光却不行，也就是是否能出电子和照射光的频率有关，和光强无关。这两个实验现象让普朗克和爱因斯坦分别发表了有关量子的理论。量子理论说明我们这个世界是无法无限细分的，量子是最小的单位，不可能再小了。不仅仅是能量，量子的自旋等多种物理量也是量子化的。最小的物理量分别称为普朗克长度，普朗克时间等。量子的能量是和量子的频率成正比的，而波长和频率是倒数关系。对光波和电磁波来说波长乘以频率就是光速。杨氏双缝实验，是用一束光照射到平行的两条狭缝上，狭缝后面的屏幕上会出现干涉条纹，这说明光就是波。神奇的是，如果继续控制光的输出速度，让每次只发射一个光子，在光子到达屏幕后再发射下一个光子，经过一段时间后屏幕上依然出现了干涉条纹。这就说明每一个光子都是波，自己和自己就可以发生干涉。于是说明了量子的波粒二象性。波粒二象性不仅仅限于光子，后续逐步发现所有的粒子都具有波粒二象性。甚至宏观物体也有，只是波动性非常微弱很难观察到。波粒二象性的数学表达就是薛定谔方程，实际上并不仅仅这一种数学表达，只是薛定谔方程知名度较高。薛定谔方程是描述量子态的动力学规律的方程，更简单的说法是，波函数的模的平方代表在某个确定时间和坐标上发现粒子的概率密度。或者再简单些用不太精确的方式说用薛定谔方程可以理论上算出某个粒子在某个时间和坐标上出现的可能性。不过计算过程比较复杂，经常会用近似解。除了薛定谔方程之外，海森堡的矩阵力学和费曼的路径积分都是量子力学的数学表达方式，而且三者是等效的。从比较直观的物理意义上看，薛定谔方程在说粒子出现的可能性，路径积分在说将量子的所有可能行动的路径进行加总，而矩阵力学的物理意义相对模糊一些。薛定谔方程的结果给出一个很奇妙的结论，这个世界是不确定的。这种不确定并不是说未来不确定，而是说任何时间点任何物体都是不确定的，能确定的只是一个大概情形。基于这种大概也就是不确定性，薛定谔还有一个著名的思想实验，薛定谔的猫，一只不确定生死的猫。到这里量子力学的基本结论已经很挑战人们的基础认知了。但是延迟选择和擦除实验的结论是更加颠覆性的。

延迟选择和擦除实验都是在单光子干涉双缝实验的基础之上实现的。简单说一下结论是，如果通过观察确定了光子是通过那条缝到达屏幕的，则屏幕上不会出现干涉条纹，即使这个确定的时间点是在按照光的直线传播匀速从发射点到达屏幕的假设上，认为光子应该通过缝隙之后。换句话说就是，如果假设光子是从发射器到屏幕沿直线匀速传播的，在光子通过缝隙后再确定光子通过两个中那个个缝隙，干涉条纹也消失了。也就是说，在这种假设下光子好像知道要被测试，根据后来的测量改变了之前的行为。如果觉得延迟选择还不够奇怪那么擦除实验的结果更加有趣，就是用某种方式比如偏振的方式获得光子通过那个缝隙的信息后，干涉条纹消失。但是如果仅仅是按照延迟选择的实验中假设的方式，在光子通过缝隙后，调整偏振方式擦除偏振信息，干涉条纹又出现了。这段话可能不太好理解，简单的解释就是，单光子的路径信息和波动性只能获得其中一个。这个理论也叫做互补理论。这个实验结果否定了很多规律，比如因果律，也否定了只观察一部分属性的动作会让量子的状态变成粒子的思路。如波尔所说“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，而在记录之前量子就是在一种混合的复杂状态，即使试图改变一部分状态仍然不能完全改变这种复杂状态，或者是复杂状态可以恢复，或者是一直保持在另外一种复杂状态，或者干脆就是展示了一种复杂状态的不同现象。以上只是单个量子行为的神奇之处，而量子纠缠是多个量子形成的神奇现象。纠缠态出自一个著名的思想实验，EPR佯谬，是由爱因斯坦，罗森，波多尔斯基提出的，也用他们三个人名字的首字母命名。具体内容出自两个名称相同的论文《量子力学对物理实在性的描述是完备的吗》作者分别是以上三位和波尔，两篇论文的结论分别是否和是。论文的内容是说量子力学的理论可以推导出，如果有一对量子有一定的关系，之后两个量子分离后他们之间没有任何联系，即使两个粒子的距离很远对其中一个量子进行测量，那么另一个量子的状态也会立刻改变。这个改变的速度考虑到两者之间的距离甚至可以超过光速。也就是说存在某种超距作用，爱因斯坦认为这是不可能的。但是实验结果说明的确会发生这种情况。后续对贝尔不等式的验证也为波尔增加了更多的证据。这种两个量子的行为也被称为量子纠缠。随着实验技术的发展，目前可以纠缠的量子数量已经越来越多，甚至达到了宏观尺度。这又是一个神奇的现象。量子纠缠存在两种状态一种是纠缠态，纠缠态很容易消失，消失的过程也叫退相干，退相干后就是不再纠缠的状态。利用量子纠缠有很多实际应用场景，例如量子计算、量子通讯等。薛定谔方程能够解释大量的量子现象，但是自旋这样的现象仍然解释不了。自旋是量子的内禀属性，或者说是一种直观上解释不了的内在属性，只是发现有这种现象，但不知道原因。自旋是通过原子在磁场中的偏转发现的。这种偏转只能通过引入某种不知道如何运动的角动量才能解释。自旋仍然是量子化的数据，自旋量子数表示为大于等于零的整数或者整数加1/2。自旋的状态在量子力学和后续的标准模型和规范场中有非常重要的作用，因为自旋的性质区分了两种完全不同的粒子，费米子和玻色子。费米子的自旋量子数为半奇数（1/2，3/2，5/2...)，玻色子的自旋量子数是整数（0，1，2...)。自旋量子数可以叠加，如果两个费米子组合在一起也会成为一个玻色子，如果两个玻色子组合在一起仍然是玻色子。当然多个玻色子组合在一起也是玻色子，奇数个费米子组合还是费米子。费米子和玻色子后续有两个重要的性质，首先在规范场中被认为是通过交换某些玻色子产生力的作用，例如通过交换光子产生电磁力，其次泡利不相容原理仅仅作用于费米子。泡利不相容原理是说一个系统中不能有两个具有完全相同状态的费米子，也就是不能有完全相同的四个量子数，分别为主量子数，角量子数，磁量子数和自旋量子数。最常见的应用场景是原子外的电子层排布，电子层排布方式直接决定了元素的化学性质，也就是元素周期表的由来。玻色子不受这种限制，也就是说费米子是互斥的，而同一个状态中可以有很多个玻色子。

和玻色子相关的一个重要的量子现象是玻色爱因斯坦凝聚。玻色爱因斯坦凝聚是一种多个玻色子在某种状态下状态完全一致的现象，对于质量比较大的玻色子来讲往往要求在很低的温度时会出现这种状态，而对于光子这种静质量为0的玻色子在普通环境中就可以观察到玻色爱因斯坦凝聚，激光就是这种现象。超导现象也是玻色爱因斯坦凝聚，不过是电子实现的，电子是费米子，形成玻色爱因斯坦凝聚的并不是单个电子，而是两个电子形成的库珀对，库珀对也是玻色子。在玻色爱因斯坦凝聚的状态下，我们可以发现很多神奇的现象，例如超导的电阻为零，还有氦在低温下形成的超流现象，是在玻色爱因斯坦凝聚的状态下，液氦可以从烧杯中沿着杯壁向上爬，然后流到杯子外面，一直到流完为止。最后，再让我们看看真空，真空中不断会出现粒子对，然后可能很快湮灭。用两个不带电的非常平的金属板在真空中靠近，金属板之间产生的波长大的粒子会跑到金属板外面，金属板内外的能量密度产生差异，就会产生让金属板聚拢的力，这个吸引力称为卡西米尔力。如果对量子力学不太熟悉，看到这里可能已经很糊涂了。把这个极其复杂的问题用这些文字说出来的确信息不足，不过希望在这些信息中我们能总结出一些有意义的结论。首先，量子可以产生自真空中，也会消失于无形，产生需要能量消失放出能量，这里还涉及正负能量的问题，先不展开。量子尺度上表现出无规律的大量涨落现象。量子的行为很难预测，仅仅受到某种分布的限制，正如薛定谔方程的描述。量子的行为并不如我们通常所理解的行为，至少不是我们亲眼看到心中期待的那种直线运动的行为方式。每一个量子都是个很复杂的个体，每个量子都可以和自己产生干涉，而且具有某些不容易理解的内禀属性。而多个量子之间可以出现更加奇怪的多种关系，比如超距的量子纠缠，互斥的泡利不相容，和完全一致而且和其他部分隔离的状态，玻色爱因斯坦凝聚。这里的隔离是指超流，超导等摩擦力，电阻完全消失的状态。还需要强调一下的是，费米子的互斥和量子纠缠是两种现象，和波色爱因斯坦凝聚也都不同。看到这里可能会有一些读者会想到，这几种行为不刚好是熵减体的单体循环（量子自干涉），双体竞争合作（费米子互斥，玻色子相容），还有多体的涨落（量子涨落）吗？的确是这样，量子的行为和熵减体的行为有相当的相似之处，这很重要，也不那么重要。重要之处在于微观上可能也存在某种更加细致的行为和纹理需要我们观察和了解，但是也许很难找到手段进行。而不重要之处在于量子在组成更加宏观的结构之后，表现出越来越固定的性质和行为，在越来越宏观的构建过程中量子也受到了各种新的约束，例如强力，弱力，电磁力，引力，熵力等。这些约束让我们能够更加清晰和明确的观察各种存在，在这些存在上出现了人类所知的科学，哲学，生物学，政治和经济，特别是人类可以用越来越明确的数学来分析这些存在，更加特别的是这些存在中也有我们人这种存在，我们本身就是这些存在中的一个而已。下一节让我们从标准模型和规范场开始讨论吧。
wanhuLee 2023-4-11 19:30 引用

大概率是因为高中没讲量子
wanhuLee 2023-4-11 19:29 引用

他们想推翻的是狭义相对论，不是广义相对论至于你这个回答原因很简单，就是因为他们只能看得懂狭义相对论，而且是最简单的没有度规，指标的狭义相对论，看懂狭义相对论以及基本假设只需要小学的加减乘除看懂量子力学最好要懂一点线性代数，懂一点微积分，这对他们要求太高了看懂广义相对论最好要会一点点张量分析，这个要求更高了

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