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人人都能懂的量子理论（合集）

第一篇：人人都能懂的量子理论人人都能懂的量子理论你是否曾被量子物理里面那些稀奇古怪的思想搞得神经错乱？首先，不要惊慌。神经错乱的不只你一个。正如具有传奇色彩的美国物理学家理查德?q费曼所说：“我可以大胆地说，没有人懂量子理论。”然而，要描述这个世界，量子理论又是确实不可少的。在这篇文章中，我们将把量子理论的思想一一分解，让谁都能懂。什么是量子理论？经过几千年的争论，我们现在终于知道了，物质追根究底是由像电子、夸克这样的微观粒子组成的。这些小家伙像乐高积木一样组合在一起，形成了原子和分子，而原子和分子又是拼成宏观世界的“乐高积木”。为了描述微观世界是如何运作的，科学家发展出一套叫量子力学的理论。这个理论做出的预言虽然非常古怪（例如，粒子可以同时出现在两个地方），但它是目前物理学中最精确的理论，在过去近百年里经受住了严格的检验。没有量子理论，我们周围的许多技术，包括电脑和智能手机里的芯片，都是不可想象的。量子理论很古怪，但它的正确性不容怀疑。科学家们所争论的，仅仅是如何解释它。“量子”到底是啥意思？假如妈妈吩咐你：“把这罐辣酱放到厨房储物柜里。”储物柜是分层的。你可以选择放在这一层或那一层，但你总不能把辣酱放在相邻两层之间，譬如2.5层吧。因为那是没有意义的。用物理学上的术语说，你家的储物柜是“量子化”的，只能分成离散的一层，两层，三层……不可能再细分为0.6层，1.5层，2.8层，3.45层……在量子的世界里，任何东西也都是量子化的。举例来说，原子中的电子只能呆在一些离散的能量层里（称为能级）。跟你家厨房的储物柜一样，两个相邻的能级之间，是没有它的立足之地的。但是量子的行为十分诡异。假如你给待在较低层的电子一个能量，它就会跳到更高的层。这叫量子跃迁。不过，你给的能量必须合适才行，即刚好等于两层之间的能量差，否则它会“耍脾气”拒收。设想你脚下有一个“量子足球”，在你10米之外有一些由近及远的沟，它们相当于一条条能级。一般人会想，用的力太小，固然球飞不起来，但用的力很大，让球飞起来总没问题吧？但事实上不是。仅当你踢“量子足球”的力不多不少刚好能让它掉到这条那条沟里的时候，它才会呼啸而起，否则任你怎么踢，它也会待在原地不动。很奇怪吧？还有另外一个类比。假如你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/时、20千米/时或80千米/时的速度行驶，在它们之间的速度是不允许的。换挡的时候，你突然就从5千米/时跳到了20千米/时。速度的变化是瞬间发生的，你几乎觉察不到加速的过程。这可以叫速度的“量子化”。量子力学VS经典力学上述例子已经让你稍稍领略了量子世界的诡异。说实话，统治我们熟悉的“经典”世界的规则在微观世界基本上都失效了。只有少数几个硕果仅存，像能量守恒、电荷守恒等等。“经典”是物理学家用于描述“日常感觉”的术语――当事物的表现不超出你日常经验的范围，我们就说它是“经典”的。台球就是一个经典物体。在碰到另一个球或桌沿之前，它总是在球桌上沿着一条直线滚动，这完全符合我们的日常经验。但球里每一个单独的原子的运动，却遵循着量子力学的规律，比如说，它随时都可以消失。但这并不意味着，微观和宏观世界的规律完全“老死不相往来”。作为物理规律，量子规律无疑更基本，但是当很多粒子聚集在一起时，其整体行为就非常趋近于经典物体的行为了，这时你就可以用经典规律来描述。比如说，组成台球的一个粒子，或许非常“任性”，但是数以亿计的粒子聚在一起时，彼此的“任性”相互抵消，整体行为就越来越“中规中矩”。你要是有一台超级计算机，把组成台球的上亿个原子考虑进去，然后完全按照量子力学来计算，你会发现，这上亿个原子的整?w运动跟直接用牛顿力学来描述是一样的。这叫对应原理。就是说大量微观粒子聚集一起时，诡异的量子效应将会消失，其整体行为就会变得“经典”。这条原理在某些情况下很有用。比如一些大分子团，要说它是经典物体呢，似乎太小了；要说它是量子物体呢，似乎又太大了。这时候，我们就可以量子规律和经典规律双管齐下。本来只要用量子规律即可，但计算量太大了。既然存在对应原理，我们就可以把一部分计算简化成经典物体来处理。海森堡不确定性原理在量子物理学中，某些东西从严格意义上说是不可知的。例如，你永远不可能同时知道电子的位置和动量，正如你永远不可能让硬币的两个面都朝上。有些书上教你这样去理解不确定性原理：例如，要想知道电子在哪里，你须得用某种东西（例如光子）探测它。但光是一种波，它的分辨率决定于它的波长，波长越短分辨率越高。所以为了把电子的位置测量得更准确，你最好是选用波长越短的光。但光又是一种粒子，其能量与波长成反比，波长越短能量越高。光子能量越大，对电子的碰撞也越大。这样一来，不管你的探测多么小心，都会改变电子的动量。在经典世界，观察或测量对观察对象的干扰可以