量子力學是一個神奇又充滿挑戰的學科領域,而其中最令人費解的現象之一便是「測不準原理」和「態疊加原理」。
這兩個原理在解釋微觀世界的執行規律時起到了至關重要的作用,但它們似乎並不適用於宏觀世界。
那麽宏觀世界為什麽沒有量子纏結呢?
波粒二象性。
在20世紀初,科學家們在研究微觀粒子時偶然發現了一些令人費解的現象,這些現象無法用經典物理學的框架來解釋。
正是這些現象的發現,使得量子力學得以誕生,它提供了一套全新的數學框架來描述這些看似荒謬的結果。
其中最重要的概念之一就是「波粒二象性」,這一概念表明微觀粒子既具有波動性,又表現出粒子特性。
這就好比我們所熟知的光子,它們既可以在雙縫幹涉實驗中表現出波動性,又可以在光電效應中表現出粒子特性。
這種雙重特性使得微觀粒子在某種程度上無法用經典物理學框架進行解釋。
這種雙重特性的產生主要是因為微觀粒子都是以波的形式呈現的,在量子力學中,我們假設所有的物質都可以被描述為波動。
這種波動並不是我們所熟知的機械波,而是一種與粒子運動狀態相關聯的數學概念。
這種波動無處不在,無限延伸,但其能量往往聚集在某個固定的空間尺度上,形成一個波包。
波包可看作是一個具有波動性的粒子。
它的位置可以理解為波包寬度,而動量則反映了波包能量。
如果我們想要測量波包位置,就需要用光子來撞擊它,透過光子的反射來確定其位置。
但這樣一來,波包就會吸收能量,從而縮小其寬度,使其更像一個粒子。
而當我們想要測量其動量時,就需要降低光子能量來使波包寬度增大。
這就導致了海森堡提出的「測不準原理」,即無法同時準確測量粒子位置和動量。
這並非儀器限制所致,而是因為測量會幹擾粒子本身,使其無法同時具備確定的位置和動量。
正如海森堡所說:「我們不能同時準確地知道一個電子的位置和速度。
」
這種概念引發了人們對於微觀世界執行規律的深入猜想。
態疊加原理。
除了「測不準原理」外,「態疊加原理」也是量子力學中一個十分重要且令人費解的概念。
該原理主要描述了微觀粒子可能處於多個狀態之間的疊加態。
其中最著名的例子便是薛定諤所提出的「貓」思想實驗。
在這個實驗中,一只貓被放置在一個密閉的箱子中,並與一個放射性元素相關聯。
如果放射性元素發生衰變,則會釋放毒氣殺死貓,否則貓將幸存下來。
根據量子力學原理,放射性元素的衰變狀態將處於疊加態,即既衰變又不衰變。
當我們開啟箱子進行觀察時,放射性元素的狀態將塌縮為一個確定值,從而決定是否釋放毒氣並殺死貓。
這個思想實驗旨在說明微觀粒子可能同時處於多個狀態之間的疊加態。
這種疊加態並不僅限於微觀領域,在一定條件下也可以出現在宏觀世界中。
例如,在雙縫幹涉實驗中,當一束光透過雙縫並在螢幕上形成幹涉圖案時,光子既透過了A縫也透過了B縫。
但當觀察者對其進行測量時,其狀態將塌縮為透過A縫或B縫之一,從而產生幹涉圖案。
同樣地,在超導體中也存在著疊加態現象。
當超導體處於零電阻狀態時,電流可同時透過兩個環路上的超導體環。
但當觀察者對其中一個環路進行測量時,電流將塌縮為透過其中一個環路,從而導致超導體失去零電阻狀態。
這些例子表明,疊加態現象並非僅限於微觀領域,在某些條件下也可發生於宏觀領域。
量子纏結。
除了「測不準原理」和「態疊加原理」外,還有一個十分神秘和令人著迷的概念——「量子纏結」。
這一概念表明兩個或多個微觀粒子之間可能存在著一種非常特殊的聯系,並且無論他們之間有多遠,改變其中一個粒子的狀態都會立即影響到其他粒子。
最常見且著名的例子便是EPR悖論(愛因斯坦-普度斯基-羅森),該悖論旨在說明量子力學中存在著某種超越時空聯系的「隱藏變量」。
在EPR悖論中,兩個微觀粒子被纏結在一起,並且無論他們之間有多遠,改變其中一個粒子的狀態都會立即影響到其他粒子。
雖然EPR悖論並沒有得到最終解決,但科學家們已經證實了量子纏結現象,並成功利用它來實作諸如量子隱形傳態和量子金鑰分發等技術。
然而,在宏觀世界中似乎並不存在類似的情況。
雖然有些科學家曾提出透過量子纏結來實作超越時空通訊或超光速傳輸資訊等設想,但這些設想目前仍未得到證實。
那麽為什麽宏觀世界看起來沒有出現類似於微觀世界中那些神秘、奇妙、令人腦洞大開的現象呢?
宏觀世界為何沒有量子纏結?
許多科學家認為這是由於「測不準原理」和「態疊加原理」的存在所致。
正是這兩條原理決定了微觀領域中那些詭異、不可思議乃至有些嚇人的現象不會擴散到宏觀世界去。
事實上,「測不準原理」和「態疊加原理」本質上都反映了微觀粒子所具有的一系列非常規特性,並且這些特性在某種程度上是由於微觀粒子本身非常微小、運動迅速和易受幹擾所導致的。
換言之,在微觀領域中,「測不準原理」和「態疊加原理」是由於物質本身特性引發的結果,並且正是因為它們才使得微觀世界變得如此獨特和神秘。
相反,在宏觀領域中物質呈現出完全不同於微觀領域的特性:物質比較大、運動相對較慢、相互作用較少。
正是這些因素使得「測不準原理」和「態疊加原理」並未擴散到宏觀領域中去。
因此,在某種程度上說,「測不準原理」和「態疊加原理」只適用於微觀領域,並不能被簡單地推廣到宏觀領域。
雖然我們還沒有完全弄清楚為何宏觀世界看起來沒有類似於微觀世界那些詭異、令人驚訝甚至嚇人的現象,但科學家們正在努力尋找答案。
筆者認為
正如我們所知道: 「科學無止境」,我們相信未來一定能夠解開這個謎團,並且揭示出宏觀世界與微觀世界之間更深層次關系。