到底什麼是量子物理?
量子物理聽到現在,但它到底是個啥?怎麼才能讓物理知識在高中畢業後就停滯的人明白?
量子物理,是適用於微觀世界粒子的一套物理法則。
比如原子核,質子,分子的規律。在這個尺度下,宏觀尺度的經典力學的那一套已經失效了。當我們需要操控微觀世界粒子做些事情,比如原子彈,量子計算機,就得用另一套量子物理的規則。
這套法則與經典力學的法則大相徑庭,直觀的生活經驗無助於概念理解,並且還在完善中。所以理解起來可能費力些。波粒二項性是最早發現的一個不同處。兩套規則間的差別有很多。
量子計算機,優勢在於某些特定模式,如量子搜索之類的複雜計算,但是在替代諸如現在的計算機處理文檔的工作上,不太值得。ps,我的曾經的研究方向就是量子計算。
量子力學實在是很難科普的一個科目,因為它和日常生活中概念的差別是很大的。
簡單說:量子力學和經典力學的根本區別在於,前者認為一個事件發生的可能性,不能用作為實數的概率來描述,而應以作為複數的概率幅來描述。互斥事件概率幅有可加性,對應於經典力學中概率的可加性。那麼概率幅究竟是什麼呢?在宏觀儀器參與的觀測過程中,概率幅的模方等於宏觀的概率。由於量子力學適用於微觀體系,因此這一概率幅到概率的過渡實際上是微觀到宏觀的過渡。和經典力學可以公用一套理解方式。
最開始我們用位置和速度來標記物體的運動,一個物體在某一點如果有確定的速度,那麼之後的行為就是可預測的。這是牛頓力學的想法。
後來,為了更方便的解決問題,我們發展了一些等價的,適於用微積分處理的力學理論。我們推廣了位置和速度的概念,他們不一定是xyz這樣的位置,而僅僅是一個變數而已,可以是角度,溫度,密度等等,我們只要給出用這些變數表示的能量,就可以按照一些一般性的原理得到系統滿足的方程。這就是拉格朗日力學的想法。類似的,哈密頓力學就是進一步推廣了這個想法,都不限於坐標和速度,只要是兩個變數,滿足一些條件就行,可以把這樣的成對的變數成為坐標和動量。
量子理論本質上解決的是同樣的問題:我們的系統有某種運動狀態,用一些變數來標定,這些狀態按照量子論的規定來變化,這就是量子論。
當然,說是這麼說,概念上的飛躍也是有的。既然是標定態,就不必要用坐標和動量了。但是,更進一步量子論規定,不能同時用坐標和動量,因為他們不能同時確定。至於為什麼不能同時確定,這是規定,別想了…
以上所有這些想法,應該是有一個數學分支「動力系統」在研究,他們主要研究的大概是給定方程系統怎麼演化的問題。而物理更多的是給出方程的工作。誠懇地講,我覺得在高中後就不學數理的人,不可能真正明白量子力學是怎麼一回事兒。
如果定義一下量子力學:量子力學是建立在五條公設(參見北師大喀興林《高等量子力學》第二章)上的一套物理理論體系。量子力學理論的宏觀極限是經典力學(宏觀一詞是粗糙的講,如果涉及量子糾纏的話,這個極限如何取,就不一定是以尺度大小為界限了)。因此我們知道,量子力學可以「回到」經典力學。那量子力學底下是什麼?量子場論是被量子力學更嚴謹的體系,相當於用場論語言更規範嚴謹地建立這套體系。但本質上,還是這麼回事兒。
那量子力學到底是什麼呢?說了這半天等於沒說嘛!是的,就等於沒說。這個真得學了才能稍微明白一點。
我現在也不知道第幾遍學了,但依然學得很粗淺,很多地方不明白。但比起第一遍學來,我至少知道,我不明白的地方,哪一些是可以從哪兒能找到更深的解釋和推導的(比如從量子場論可以更嚴格地把「全同粒子」的相關結論導出來),哪一些是目前未知的,哪一些是本質上的假設,哪一些又是目前面臨的難題。
這裡的難題並不一定是前面兩種「未知」和「假設」的,有可能是我們知道是怎麼回事兒,又一點都不知道怎麼回事兒!比如量子多體系統。多體系統涉及量子糾纏態,我們知道它就是簡單來講就是,各個粒子之間是有相互關聯的,不能看做簡單的單個粒子的性質疊加起來。但這種關聯是沒有已知數學語言來描述的!我們知道這個問題就是因為各個「體」之間相互關聯。可是我們又一點也不知道怎麼描述!打個比方吧,如果只有一個人,這個人就是個生物,只有基本的需求。可這麼大的世界,人類社會就像是個多體系統,咱們知道該怎麼來描述嗎?所以經濟學、社會學,都沒法準確描述,提出個模型,9成是不準的,所以會有把人看做「理性經紀人」這種近似!因為我們不知道該如何處理這個體系,這不只是數量大的問題,而是根本就不知道該怎麼描述。。
文小剛(我認為的當今華人物理界No.1)以及他幾十年來培養的各位門生一直想從基礎數理上進行突破。他做的東西確實夠難,不過唉……普通人類的想像力還是有限啊,亟待出現井噴式的人物,比如當年伽羅華,發現或發明了群論,群論這個語言就被物理用上了,而且是現代物理學不可或缺的數學語言!!沒有群論簡直不知道現代物理學要怎麼書寫!!
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也許有人會說,有很多《上帝擲骰子嗎--量子力學史話》,《尋找薛定諤的貓》之類的書啊。但我覺得這樣的書最好的讀者應該是學過量子力學的人,就行行內人說行話一樣,說出來大家笑笑。沒學過的人會被作者的筆觸逗笑,會覺得量子力學像魔術一樣,有不確定性原理,有能量量子化,能出現Gamov《物理世界奇遇記》中描述的現象,很神奇。看一看,一笑置之,無妨。但追究起來,這樣的書甚至會妨礙人對物理的理解。會誤導人。
我們辦公室有個師兄來自國內某師範院校。有一天聊天說起來,他想說他們本科時候的老師有多爛多爛,於是舉了個例子:
我們原子物理老師上課的時候對我們說,「同學們,量子力學是什麼?量子力學就是能量量子化!」
我們量子力學老師上課的時候對我們說,「同學們,量子力學是什麼?量子力學就是薛定諤方程!」
他媽這不是傻逼嗎,量子力學是什麼?量子力學就是能量量子化?就是薛定諤方程?你妹啊,就這樣的還當老師?!
於是大家都笑了,跟著一塊兒吐槽國內普通院校老師誤人子弟之深。
因為所謂「能量量子化」也好,「薛定諤方程」也好,正是我們初入門的時候接觸的對量子力學的定性解釋啊!經典物理認為能量是連續的,原子光譜理應是連續的對吧?可為什麼不連續呢?因為能量量子化!所以量子力學區別於經典物理的地方在於能量量子化!……
但這些都是極其表淺的東西……
打個比方吧。這就好比現在我們知道牛頓力學是牛頓三定律這麼一套體系(非常簡略地說)。這時如果有老師給你講,牛頓的力學是什麼?牛頓力學就是:在桌子上推木塊木塊會動,不推它也會動只是會慢慢減速而已。所以推不推不是動不動的根本原因,所以亞里士多德錯了,他認為推它他才動,不推他不動!這是經典物理區別於亞里士多德物理的地方!……
說的沒錯,牛頓力學是解釋了這個現象。可大家都笑了,這不是牛頓力學。
所以應該能體會為什麼我們高中講的那些東西都不能叫做量子力學了。
什麼是量子力學?看書吧。推薦Shankar的《Principle of Quantum Mechanics》,入門不推薦曾謹言卷一卷二。粗略學過一些量子後(比如用Griffiths的導論的話),可以看看喀興林的《高量》,還是不錯的。之後,曾謹言的兩本大辭典最好能推一遍(慚愧地說,我連十分之一都沒弄下來,荒廢了多少年了啊!)。我贊同一位師兄說的話:量子力學,做越多的題越好。做題越多,理解一定越深。
只看書肯定不夠。重要的是推導。沒有推過的東西永遠都是借過來的,心理總會有塊疙瘩,總覺得不是自己的。可數學太難了怎麼辦?(這也是我的困難o(╯□╰)o)沒辦法,數學是物理的基礎。沒有數學不叫物理,叫民科。簡單說下。
高中,楊氏雙縫實驗記得吧。 看衍射那個。
當在雙縫裝了一個探測器,去探測光子的時候。
衍射條紋就消失了(縫並沒有被堵住)。
恩,量子力學理論就是為了解釋這個現象的。
說白了,就是出現了,普朗克常數(或約化常數)的地方,都可以歸結到量子物理中。。。
要麼看科普書,要麼看教科書。這種問題來知乎問,除了提供給別人一個裝逼的機會,還有什麼用?
微觀粒子的狀態難以精確的確定,但是能算出處於各個狀態的概率,這差不多就是量子物理
就類似你無法預知未發生的事情,但是你可以推導出某一隻股票明天上漲的概率,如果概率足夠大你就可以在今天買進量子物理是實現微概率的奇蹟的方法
東方年代記 次元之翼——微概率的奇蹟
關注量子物理很久了,我更贊同愛因斯坦,感覺量子物理就是一大堆人對於時空概念的誤解而產生的學科。。。光速守恆??明明是我們只能觀測到等速光,而非等速的光子(或者說是相對於我們的宏觀空間不穩定的光子)會被我們日常習慣(一般檢測方法)所忽視。而能量量子化是1+1=2這個方法在無理數(我認為無理現象是一種客觀在,比如三體運動不可用現有函數簡單定義)領域不適用的解釋。。
原子能級(電子的空間躍遷?)==空間不是連續的吧。。。微觀粒子相對於檢測儀器移動的如此之快,而粒子和粒子之間的移動又如此之快,檢測器,粒子(電子),相對靜止粒子(原子核),三者的運動速度差異(符合三體運動吧)其規律能用一般數學方法描述還能讓人看懂。。。我是民科表打我。。
我是純粹興趣所以也不好給這個下定義,看1L某碩士博士解釋吧應該比較專業。
推薦看《量子物理史話》,雖然個人不太喜歡其大量的比喻和賣弄文筆(其實是想更生動些吧),但好在這些因素都是成段的(類似插播)可以忽略,大致能有個了解。這本書基本能當科普來看,超過高中知識的公式基本不會糾結其物理意義和推導,比較多的是各派觀點的形成和推論,適合非專業的看看。
PS:好像量子計算機造出來了嗯,不知道是不是動用「很多個世界的計算機」在計算呢?(笑),也許幾十年後跑遊戲就不用面對CPU顯卡價格內牛了吧……量子物理偏向唯心主義,無法觀測到即不存在
因為粒子的衰變無法以人類的手段預測
因此粒子的衰變就被認為是隨機無規律的
而另一方面,在量子物理,任何物質都有波粒二象性 λ=h/p (波長=普朗克常數/動量)
因此任何一個物體都有一定概率出現在任何的一個位置
因為這是完全隨機的,所以在同一個時間物體可能在任意位置
如果把每一個物體可能的存在區別為一個世界
那就會有無數條世界線
這就是平行宇宙的說法
↑但是本人沒學過量子物理,所以以上均為扯淡
想明白就必須有大神帶,照本宣科的老師講不明白量子的,事實上講量子人的非常多根本不懂量子的。舉個例子,這個問題:物質具有波粒二象性嗎?你問量子老師,他有權拒絕回答,因為這根本不是量子力學問題,量子本來就是用波來解釋物質,你問他物質有沒有粒子性這不是打臉嗎?這種例子太多啦,好多量子老師經常把外行話掛嘴邊,經不起細心學生琢磨。
好了,收起無厘頭,結論:想學量子力學找大神老師,遠離民科,珍愛生命。
個人理解,量子力學就是波粒二象性。剩下的就是數學描述了。
量子力學就是反映微觀粒子例如原子,分子,原子核,等基本粒子運動規律的理論,是物理學中的基礎理論之一.
經典物理學具有局限性,它與微觀世界存在矛盾.
黑體輻射和光電效應等現象使人們發現了光的波粒二象性,人們在光的波粒二象性的啟發下,認識到了微觀粒子的波粒二象性,從而建立了量子物理.
我想了一會,最後認為量子物理就是研究波粒二象的物理。
波粒二象性是研究對象和理論基礎,態函數,算符等都是其數學表述。
量子物理在微觀極其強大,是現代物理支柱之一。
我的理解:量子物理就是從不同尺度看問題。
量子物理就是用算符研究微觀粒子的物理。第一次應用是解釋光電效應(這時候還沒有用算符),理論體系的建立是在Schordinger方程之後。主要的研究方法是用波函數或作用量表示客觀實在,用演化方程表示變化規律。
我怎麼感覺世界是又量子構成的。所有的一切表現都是電的刺激後的反應!也就是光是不存在的,光是太陽刺激量子的一種構造
這樣想像:你正在為一座旋轉木馬建造一隻木馬。神叫你建造一隻馬。你完成了,但沒有地方放置它……所有的木馬插槽都滿了,而旋轉木馬總是在轉。這個時候,許多人類會放棄地說:「嗯,我想我做錯了。我錯失了機會。放木馬的空槽已經過去了。」然後,他們扔掉木馬!量子態的人類會說:「旋轉木馬是巨大的,而且我站在它前面。出現一個木馬空槽只是時間問題,因為我知道旋轉木馬是圓形的。」換句話說,毫無疑問,空槽會出現……就像是你的孩子一定會出現在某隻木馬上,當他從左到右轉,隨著裝置繼續圍繞其軸心旋轉,騎著旋轉的木馬消失,然後重新出現在左邊。難道你會焦慮嗎,會懷疑你的孩子騎著木馬離開你右邊的視線後是否會再次出現?不會的!這是愚蠢的。你開始明白了嗎?你可以看到整個圈圈!一個線性的人只能看到一部分,甚至不明白它是圓形的。
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