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为什么宏观世界没有量子纠缠?或许也是有的,只不过坍塌了

2024-07-09科学

量子力学是一个神奇又充满挑战的学科领域,而其中最令人费解的现象之一便是「测不准原理」和「态叠加原理」。

这两个原理在解释微观世界的运行规律时起到了至关重要的作用,但它们似乎并不适用于宏观世界。

那么宏观世界为什么没有量子纠缠呢?

波粒二象性。

在20世纪初,科学家们在研究微观粒子时偶然发现了一些令人费解的现象,这些现象无法用经典物理学的框架来解释。

正是这些现象的发现,使得量子力学得以诞生,它提供了一套全新的数学框架来描述这些看似荒谬的结果。

其中最重要的概念之一就是「波粒二象性」,这一概念表明微观粒子既具有波动性,又表现出粒子特性。

这就好比我们所熟知的光子,它们既可以在双缝干涉实验中表现出波动性,又可以在光电效应中表现出粒子特性。

这种双重特性使得微观粒子在某种程度上无法用经典物理学框架进行解释。

这种双重特性的产生主要是因为微观粒子都是以波的形式呈现的,在量子力学中,我们假设所有的物质都可以被描述为波动。

这种波动并不是我们所熟知的机械波,而是一种与粒子运动状态相关联的数学概念。

这种波动无处不在,无限延伸,但其能量往往聚集在某个固定的空间尺度上,形成一个波包。

波包可看作是一个具有波动性的粒子。

它的位置可以理解为波包宽度,而动量则反映了波包能量。

如果我们想要测量波包位置,就需要用光子来撞击它,通过光子的反射来确定其位置。

但这样一来,波包就会吸收能量,从而缩小其宽度,使其更像一个粒子。

而当我们想要测量其动量时,就需要降低光子能量来使波包宽度增大。

这就导致了海森堡提出的「测不准原理」,即无法同时准确测量粒子位置和动量。

这并非仪器限制所致,而是因为测量会干扰粒子本身,使其无法同时具备确定的位置和动量。

正如海森堡所说:「我们不能同时准确地知道一个电子的位置和速度。

这种概念引发了人们对于微观世界运行规律的深入猜想。

态叠加原理。

除了「测不准原理」外,「态叠加原理」也是量子力学中一个十分重要且令人费解的概念。

该原理主要描述了微观粒子可能处于多个状态之间的叠加态。

其中最著名的例子便是薛定谔所提出的「猫」思想实验。

在这个实验中,一只猫被放置在一个密闭的箱子中,并与一个放射性元素相关联。

如果放射性元素发生衰变,则会释放毒气杀死猫,否则猫将幸存下来。

根据量子力学原理,放射性元素的衰变状态将处于叠加态,即既衰变又不衰变。

当我们打开箱子进行观察时,放射性元素的状态将坍缩为一个确定值,从而决定是否释放毒气并杀死猫。

这个思想实验旨在说明微观粒子可能同时处于多个状态之间的叠加态。

这种叠加态并不仅限于微观领域,在一定条件下也可以出现在宏观世界中。

例如,在双缝干涉实验中,当一束光通过双缝并在屏幕上形成干涉图案时,光子既通过了A缝也通过了B缝。

但当观察者对其进行测量时,其状态将坍缩为通过A缝或B缝之一,从而产生干涉图案。

同样地,在超导体中也存在着叠加态现象。

当超导体处于零电阻状态时,电流可同时通过两个环路上的超导体环。

但当观察者对其中一个环路进行测量时,电流将坍缩为通过其中一个环路,从而导致超导体失去零电阻状态。

这些例子表明,叠加态现象并非仅限于微观领域,在某些条件下也可发生于宏观领域。

量子纠缠。

除了「测不准原理」和「态叠加原理」外,还有一个十分神秘和令人着迷的概念——「量子纠缠」。

这一概念表明两个或多个微观粒子之间可能存在着一种非常特殊的联系,并且无论他们之间有多远,改变其中一个粒子的状态都会立即影响到其他粒子。

最常见且著名的例子便是EPR悖论(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森),该悖论旨在说明量子力学中存在着某种超越时空联系的「隐藏变量」。

在EPR悖论中,两个微观粒子被纠缠在一起,并且无论他们之间有多远,改变其中一个粒子的状态都会立即影响到其他粒子。

虽然EPR悖论并没有得到最终解决,但科学家们已经证实了量子纠缠现象,并成功利用它来实现诸如量子隐形传态和量子密钥分发等技术。

然而,在宏观世界中似乎并不存在类似的情况。

虽然有些科学家曾提出通过量子纠缠来实现超越时空通信或超光速传输信息等设想,但这些设想目前仍未得到证实。

那么为什么宏观世界看起来没有出现类似于微观世界中那些神秘、奇妙、令人脑洞大开的现象呢?

宏观世界为何没有量子纠缠?

许多科学家认为这是由于「测不准原理」和「态叠加原理」的存在所致。

正是这两条原理决定了微观领域中那些诡异、不可思议乃至有些吓人的现象不会扩散到宏观世界去。

事实上,「测不准原理」和「态叠加原理」本质上都反映了微观粒子所具有的一系列非常规特性,并且这些特性在某种程度上是由于微观粒子本身非常微小、运动迅速和易受干扰所导致的。

换言之,在微观领域中,「测不准原理」和「态叠加原理」是由于物质本身特性引发的结果,并且正是因为它们才使得微观世界变得如此独特和神秘。

相反,在宏观领域中物质呈现出完全不同于微观领域的特性:物质比较大、运动相对较慢、相互作用较少。

正是这些因素使得「测不准原理」和「态叠加原理」并未扩散到宏观领域中去。

因此,在某种程度上说,「测不准原理」和「态叠加原理」只适用于微观领域,并不能被简单地推广到宏观领域。

虽然我们还没有完全弄清楚为何宏观世界看起来没有类似于微观世界那些诡异、令人惊讶甚至吓人的现象,但科学家们正在努力寻找答案。

笔者认为

正如我们所知道: 「科学无止境」,我们相信未来一定能够解开这个谜团,并且揭示出宏观世界与微观世界之间更深层次关系。