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量子力学的基本理论是什么?

常驻编辑 科普中国 2022-10-16 普朗克   能级   量子力学   量子   粒子   原子   函数   物理   理论   世界   电子
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一直到1926年,哥本哈根派的波恩提出了一种理论,波函数值的平方就是粒子某时某地出现的概率,这一招画龙点睛给薛定谔方程补上了最后一块短板,后来的实验也无数次验证了这个结论,至此薛定谔方程成了量子物理的殿堂级的存在。Qxj拜客生活常识网

大家要有个概念,薛定谔对量子物理的的主要贡献就是这个方程,至于那只著名的猫,完全可以归纳为哲学问题,这玩意本来是薛定谔为了证明叠加态的荒诞列举出的工具。Qxj拜客生活常识网

其实量子物理只适用于微观粒子,对于宏观物质完全无效,如果硬拉在一起,就会产生很多奇奇怪怪的事,有些是发挥你野兽般的想象力也想象不到的,怪异到让你怀疑人生。事实上后来确实有很多人拿这只猫做文章,对这个实验进行各种深加工,弄出了很多烧脑的结论,大家有兴趣可以自行百度。Qxj拜客生活常识网

多说一句薛定谔本身是和爱因斯坦一个战壕,认为客观自由规律和确定性存在,所以他对波恩提出的波函数是概率分布的观念并不认同。虽然后来很多实验证实了概率的存在,薛定谔还是一直坚守自己的信念,一直到去世也没有屈服。Qxj拜客生活常识网

量子物理的世界就是这么奇怪,薛定谔发现了波函数,不过对波函数的最终解释却是由他的对手完成,波恩还靠这个拿到了诺贝尔奖,也是相当魔幻了。Qxj拜客生活常识网

薛定谔方程问世后,物理界基本上认同微观粒子一般是以波函数的形式弥散在空中,如果没有坍缩,波函数会一直持续下去。如果波函数坍缩,就会变成一个可观测的粒子。Qxj拜客生活常识网

那么问题来了,波函数什么时候会坍缩成粒子呢?既然不确定性和概率分布是微观粒子的主要特点,那么什么情况下粒子会表现出确定性呢?换句话说,微观状态下波和粒子之间切换的开关在哪儿?Qxj拜客生活常识网

五、双缝实验Qxj拜客生活常识网

关于这一点,有个著名的实验很能说明问题,也就是前面我们提到的双缝实验。Qxj拜客生活常识网

双缝实验一开始就是为了验证光是一种波还是粒子,一束光穿过两道缝隙,如果光是波,因为波的干涉作用,在缝隙后的背板上会产生明暗相间的条纹;如果光是粒子,只能直线通过缝隙,背板上展示的应该是和缝隙对应的两条明亮条纹。实验结果证明背板后产生了明暗相间条纹,证实了光肯定是一种波。Qxj拜客生活常识网

这个理论一直统治几百年,一直到德布罗意发现物质波以后,大家觉得如果电子也是波,那是不是可以用电子做双缝双缝实验。实验结果表明:如果用大量电子轰击双缝,背板会出现明暗相间的条纹,表现出明显波的特性。Qxj拜客生活常识网

那么问题来了,电子和光不一样,电子是确定无疑的粒子(至少从电子枪打出来的),按照正常逻辑,电子应该是沿直线通过双缝,背板上应该显示两条缝?明暗相间的条纹一定是中间变成了波,那么电子什么时候变成了波?Qxj拜客生活常识网

有一种解释是电子之间相互干扰,所以产生了明暗条纹。Qxj拜客生活常识网

为了验证这一点,物理学家决定化整为零,一个电子一个电子的打出去,排除电子之间互相干扰这种情况。实验结果让人瞠目结舌,每个电子都在背板上留下一个点,表现出明显的粒子特性,不过当电子数量增大,电子在背板的分布呈现明显的明暗条纹,表现出波的特性。Qxj拜客生活常识网

要知道,我们现在是一个电子一个电子之间的打,如果发生干涉,那只有一种可能,那就是电子同时穿过两条缝隙,自己和自己发生了干涉,要解释这种现象只能假设电子在中间环节变成一种波,所以才能同时穿过两条缝隙。

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