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什么是量子物理学?

原创 分类: 2020-12-31 11:05 阅读量:1597
什么是量子物理学? 什么是量子物理?简而言之,物理学解释了一切事物的运作方式:这是我们对构成物质的粒子的本质以及它们相互作用的力的最佳描述。 量子物理学是原子工作原理的基础,也是化学和生物学的原理。你,我和门柱,至少在某种程度上,我们都在跟...

什么是量子物理学?
什么是量子物理?简而言之,物理学解释了一切事物的运作方式:这是我们对构成物质的粒子的本质以及它们相互作用的力的最佳描述。

量子物理学是原子工作原理的基础,也是化学和生物学的原理。你,我和门柱,至少在某种程度上,我们都在跟着量子节奏跳舞。如果你想解释电子如何通过电脑芯片,光子如何在太阳能电池板中变成电流,或者如何在激光中自我放大,甚至是太阳如何持续燃烧,你就需要使用量子物理学。

对物理学家来说,困难和乐趣就从这里开始了。首先,没有单一的量子理论。还有量子力学,支撑这一切的基本数学框架,它是在20世纪20年代由尼尔斯·玻尔,维尔纳·海森堡,埃尔温·薛定谔等人首先发展起来的。它描述了一些简单的事情,比如单个粒子或少数粒子群的位置或动量如何随时间变化。

但要理解现实世界中事物是如何运作的,量子力学必须与其他物理元素结合起来——主要是阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论,它解释了当物体快速移动时会发生什么——从而创造出所谓的量子场理论。

三种不同的量子场理论处理物质相互作用的四种基本力中的三种:电磁力,它解释了原子是如何结合在一起的;强核力,它解释了原子核在原子中心的稳定性;以及弱核力,这解释了为什么有些原子会发生放射性衰变。

在过去的50年左右时间里,这三个理论被汇集在一个摇摇晃晃的联盟中,被称为粒子物理学的“标准模型”。尽管给人的印象是这个模型是用胶带粘在一起的,但这是迄今为止所设计出的关于物质基本工作原理的最准确的测试图像。它最辉煌的成就是在2012年发现了希格斯玻色子(Higgs boson)。希格斯玻色子赋予了其他所有基本粒子质量,早在1964年,就有人根据量子场论预测希格斯玻色子的存在。

传统的量子场理论很好地描述了高能粒子加速器的实验结果,比如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider),希格斯粒子就是在那里被发现的,它探测物质的最小尺度。但如果你想了解在很多不那么深奥的情况下,电子如何在固体材料中运动或不运动,从而使一种材料成为金属、绝缘体或半导体,事情就变得更加复杂了。

在这些拥挤的环境中,数以亿计的相互作用需要发展“有效场理论”来掩盖一些血淋淋的细节。构建这些理论的困难在于,为什么固态物理中的许多重要问题仍未解决——例如,为什么一些材料在低温下是允许无电阻电流的超导体,以及为什么我们不能在室温下实现这一技巧。

但在所有这些实际问题的背后,隐藏着一个巨大的量子之谜。在基本层面上,量子物理学预测了物质如何运作的非常奇怪的事情,这些事情与现实世界中事物的运作方式完全不一致。量子粒子可以像粒子一样,在一个单一的位置;或者它们可以像波一样,分布在整个空间或同时分布在几个地方。它们如何出现似乎取决于我们选择如何测量它们,而在我们测量它们之前,它们似乎根本没有确定的属性——这让我们想到一个关于基本现实本质的根本难题。

但在所有这些实际问题的背后,隐藏着一个巨大的量子之谜。在基本层面上,量子物理学预测了物质如何运作的非常奇怪的事情,这些事情与现实世界中事物的运作方式完全不一致。量子粒子可以像粒子一样,在一个单一的位置;或者它们可以像波一样,分布在整个空间或同时分布在几个地方。它们如何出现似乎取决于我们选择如何测量它们,而在我们测量它们之前,它们似乎根本没有确定的属性——这让我们想到一个关于基本现实本质的根本难题。

但在所有这些实际问题的背后,隐藏着一个巨大的量子之谜。在基本层面上,量子物理学预测了物质如何运作的非常奇怪的事情,这些事情与现实世界中事物的运作方式完全不一致。量子粒子可以像粒子一样,在一个单一的位置;或者它们可以像波一样,分布在整个空间或同时分布在几个地方。它们如何出现似乎取决于我们选择如何测量它们,而在我们测量它们之前,它们似乎根本没有确定的属性——这让我们想到一个关于基本现实本质的根本难题。

这种模糊性导致了明显的悖论,比如薛定谔的猫,由于一个不确定的量子过程,一只猫既死又活。但这还不是全部。量子粒子似乎也能在瞬间相互影响,即使它们相距很远。这种真正令人迷惑的现象被称为纠缠,或者,用爱因斯坦(一位伟大的量子理论评论家)创造的短语来说,“远距离的幽灵行为”。这种量子能力对我们来说是完全陌生的,但却是超安全量子密码和超强大量子计算等新兴技术的基础。