非常不可思议的量子论.pptVIP

第二部份: 非常不可思议的量子论 - 波的坍缩 电子和光在被观测之前以波的形态在空间延展, 而在观测的一瞬间, 波坍缩成一点, 表现为一个粒子, 正像在第一部份中看到的那样, 电子、光子都同时具有粒子的属性和波的属性。从第二部分开始, 将采用量子论的标准解释来介绍这个看似矛盾的事情 (玻尔等人的“哥本哈根解释”)。 进一步, 还要介绍量子论中最为重要的公式, 物理学家们用来了解微观世界的工具――“薜定谔方程”。 另外, 下面讨论虽然基于电子, 但是原则上, 对于电子以外的微观粒子(光子、原子、分子、原子核、质子、中子以及其他基本粒子等) 也是适用的。 只能预言某处发现电子的概率 “当不去看的时候”(不去观测的时候), 电子保有波的性质, 在空间中弥散地存在着。可是当电子的波被光照射的时候, 也就是测量电子所在位置的时候, 令人不可思议的事情发生了, 电子的波瞬间坍缩, 集中于一点, 形成一个“尖峰”(波的坍缩)。这种形态的波不再有通常的延展性质, 由于我们看起来它集中于一点, 就像一个粒子。 也就是说,“ 不去看的时候”,电子表现的像一个波,“看了的话”, 就表现出粒子的形态。 会在观测前的波所延展到的范围内的某处观测到电子, 但是无法确切地知道它到底会在什么地方被发现。能够知道的只是, 比如它在这个地方出现的概率是30%, 那个地方出现的概率是2%之类的事情。波尔等人认为, 如此去解释电子的“波粒二象性”就不再出现矛盾。 非常不可思议的量子论- 电子波的薜定谔方程 电子波的意义与电子“被发现的概率”相关 所谓电子波的意义到底是什么呢? 在观测之前, 波在空间中弥散地存在着。如果用粒子的表象来考虑的话, 1个电子就类似于在动漫中出现的会分身术的“忍者”那样, 同时在不同的地方出现。 ?电子的波上画了很多颜色深浅不同 (透明度) 的粒子。颜色深的 (更不透明) 地方, 表示发现电子的概率更高。完全透明的地方 (只用细线描绘了粒子的轮廓) 发现电子的概率为零。 在电子波的“波峰”和“波谷”的地方, 发现的概率更高 (极大值), 电子波与轴线相交的地方发现电子的概率为零。量子论的标准解释 (哥本哈根解释) 认为电子波就是代表着电子波被发现概率的波。 传说向施展分身术的忍者射去飞镖, 如果忍者被打中, 其分身术可能就被解除。同样地, 去观测在空间中弥散分布的电子的时候, 电子就会出现在其弥散空间范围内的某一点处, 观测前存在的“分身”也就被消失了。但到底会出现在哪里却并不能被精确地预言。用量子论出现之前的有关“实在”的常识来看, 这是非常不可思议的事情, 但这确实是量子论的标准解释。 量子论中最为重要的方程“薜定谔方程”是什么? 看了上面的解释, 很多读者可能会有这样的疑问: “会不会是在电子被观测之前, 就以粒子的方式已经存在某处了”? 如果在观测前, 电子不是以波的方式存在的话 (或者说不是以弥散的方式存在的话), 就无法说明在原子中的轨道为什么是分立的。 数学上表达电子波的方法是使用“波函数” 。在不同的环境中, 比如在原子内部, 求解电子的波函数的方程就是“薜定谔方程”。通过数学上的运算就能求解在原子、分子内部的电子轨道。 薜定谔方程是量子论中最为重要的方程。物理学家们解这个方程, 就能详细地知道原子、分子等的行为。 ?非常不可思议的量子论 - 不确定性原理 在微观世界中甚至连“电子在这里, 以这个速度在运动”之类的描述都做不到 ? 按照标准的解释, 电子等微观粒子在没有被观测的阶段, 宛如会分身术一般, 在空间弥散地存在着。这就意味着在观测前其位置是无法确定的 (不确定), 通常用“位置的涨落”来描述这一现象。 根据日常的感觉,“在某个时候物体存在于一个确定的位置”是理所当然的。无论看见还是没看见, 摆在桌子上的瓶子就在那里。也就是说, 可以认为宏观物体的位置是确定的, 与观测与否并不相关。实际上, 在量子论之前的物理学也都是这么认为的。 什么是“不确定性原理”? 在观测前, 不只是位置, 运动的状态 (用“质量 x 速度”来表述的“动量”) 也处于涨落状态。在位置的涨落和动量的涨落之间存在的一定的关系。电子的位置的涨落越小, 其运动状态的涨落就越大。 试想一个电子被封闭在一个小箱子中, 如此一来, 电子的位置只能在小箱子中的某处, 也就是说, 它的位置的涨落 (不确定性) 变小了。在这种情况下, 电子运动方向和速度大小的不确定性就会相应地增大。 ? 电子的位置和运动状态的涨落 (不确定性) 之间的关系可以用不等式来表示, 称为 “不确定性原理”(也叫“不确定关系”)。根据不确定性原理, 位置和运动状态两方面同时确定的状态 (不确定度为零) 是不可能存在的。微观世界是由涨落支配的。