為什麼微觀粒子的狀態是不確定的,必須用概率來描述?

Mondo 科學 更新 2024-02-02

量子力學告訴我們,微觀粒子的狀態和執行規律是經典物理學無法描述的,因為微觀粒子的行為完全違背了我們的傳統認知,甚至顛覆了我們的人生觀和宇宙觀。

這就是為什麼一些物理學大佬會這樣說:如果你第一次接觸量子力學,並沒有被量子世界的奇怪行為所迷惑,那並不意味著你很聰明,更不代表你真的懂量子力學,相反,因為你根本不懂量子力學!

說白了:無知者無所畏懼!

其實,別說那些吃瓜的普通人,所有的物理學家都還想不明白:量子世界為什麼這麼詭異?

在量子世界裡,有太多的地方違背了我們生活的常識,甚至完全違背了人們認為堅不可摧的“因果律”。

量子力學已經發展了100多年,那麼今天的物理學界是如何描述量子力學的呢?

波粒二象性這是量子力學的核心思想,但實際上,這種“謙虛”的描述方式恰恰凸顯了人類的“無能和不甘”,因為我們真的不知道如何準確描述量子世界的怪異行為,只能用“波粒二象性”的模糊定義來描述。

在現實中,我們很難理解乙個物體既有粒子特性又有波,乙個會顯示粒子,另乙個會顯示波,微觀粒子的狀態是什麼,最終取決於我們的觀察,當我們不觀察時,它是不穩定的波動,微觀粒子無處不在。 一旦進行觀察,粒子就會立即坍縮成粒子狀,成為確定存在的粒子。

讓我們來看看我們的經典世界是如何描述物體的狀態和運動的。

在物理課上,我們都學過粒子的概念,在研究乙個物體的運動時,我們通常可以把物體當作乙個粒子,給它建模以便於理解,然後我們就可以準確地測量和計算物體的相關物理量,比如質量、速度、加速度等,這些都可以用牛頓經典力學來計算。

中學的物理不涉及相對論的知識。 實際上相對論也屬於經典物理學的範疇,這與牛頓的經典力學相同,只是相對論描述了巨集觀物體在高速下的執行定律。

使用牛頓力學和相對論,完全有可能描述我們巨集觀物體的運動定律。

隨著對微觀領域的深入探索,科學家們有了不同的發現。 原子核、電子、質子、中子甚至夸克的存在相繼被發現。 當科學家觀察這些微觀粒子的運動規律時,他們發現牛頓的經典力學和相對論並不好用,不符合經典物理學的**。

例如,如果根據牛頓的經典力學,原子核帶正電,而電子帶負電能量在電子運動過程中衰減,最終落到原子核,但這在現實中並沒有出現。

顯然,經典物理學有乙個難題:如何解釋電子等微觀粒子的行為?

玻爾是第乙個提出“.電子轉變電子只能吸收或釋放比能量,即光量子的整數倍的能量,因此它們只能在不同的能級上跳躍,而不能在兩個能級之間跳躍。

然而,玻爾的理論也是有缺陷的,不能解釋電子雲現象。

隨著電子雙縫干涉實驗的發展,物理學家發現了更多奇怪的現象,並了解到電子等微觀粒子也具有波粒二象性,這意味著電子可以同時出現在兩個不同的地方,甚至任何地方。

那麼,您究竟如何描述微觀粒子的狀態呢? 只能使用不確定性原理。雖然我們不能同時得到微觀粒子的速度和位置資訊,但微觀粒子的速度和位置的不確定度滿足一定的關係,即速度不確定性和位置不確定性的乘積一定不小於乙個常數,這個常數雖然小,但大於零。

物理學家還發現,雖然我們無法確定微觀粒子的速度和位置資訊,但我們可以用概率來描述它們,這可以描述微觀粒子出現在某個位置的概率。

這就是“概率波”解釋,用於解釋薛丁格方程中的”波函式”。也就是說,微觀粒子的行為就像波一樣不可預測和無處不在,它們的行為只能用概率波來描述。

為什麼會這樣?

對不起,人類不知道,也束手無策,只知道微觀世界確實是這樣的,不確定性和概率波是微觀粒子的固有屬性,人們只能用概率來描述微觀粒子的運動。

這就像“擲骰子”,最後會是什麼時間,它是不確定的,它是隨機生成的。 阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)和薛丁格(Schrödinger)等物理學大佬無論如何都無法接受微觀粒子的概率行為,愛因斯坦堅信這一點。上帝不會擲骰子但今天的主流科學界顯然更支援“上帝確實擲骰子”。

還有乙個問題,巨集觀物體是由微觀粒子組成的,既然微觀粒子是不確定的,只能用概率來描述,為什麼巨集觀物體的狀態是確定的呢?

最重要的是,微觀粒子的不確定性也是“相對的”,因為任何觀察行為都會引起微觀粒子的“波函式坍縮”,從不確定到確定,從模糊的波動狀態到真實的確定狀態。

更深層次的含義是:世界的現實是否取決於我們的觀察? 當我們不觀察時,世界是模糊的,當我們觀察時,世界變得真實?

這很難接受,但就目前而言,這是真的。 那麼乙個大問題來了,為什麼我們的觀察行為會導致微觀粒子”。波函式坍縮從波坍縮到粒子呢?

不幸的是,人類仍然不知道這個問題的答案,但他們已經觀察到這種行為確實存在,所以他們將其描述為“波函式坍縮”。 說白了,所謂的“波函式坍縮”,不過是科學家根據觀測結果倒推得出的結論從本質上講,它是“如果”。

當然,網上也有人會提出這樣一種觀點,即觀測之所以導致波函式坍縮,是因為觀測本身就意味著它必須與微觀粒子相互作用,從而影響微觀粒子的狀態。

這種觀點確實更容易被我們接受,畢竟更符合我們的生活經驗,但又站不住腳,畢竟如果觀測行為干擾了微觀粒子的量子態,就意味著量子體系在觀測之前就有了某種確定的狀態,這顯然與“觀測行為改變了量子態”相矛盾。

當然,雖然物理學家們並不知道量子世界為什麼會出現“波函式坍縮”,但他們還是提出了許多假設,比如平行宇宙假說、高維空間,甚至“意識決定論”,但我們仍然不知道哪乙個才是量子世界的本質。

大自然總是這樣,總是在人們以為要觸及大統一理論的時候,給人乙個“耳光”,衍生出越來越多不可思議的自然現象。

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