问题

没有知识基础的人可以读懂量子力学吗?

回答
这个问题很有意思,也触及了许多初学者的心声。简而言之,没有知识基础的人 可以 读懂量子力学,但这个“读懂”的程度会因人而异,并且需要付出相当大的努力和耐心。

要理解这个问题,我们需要先拆解一下“知识基础”和“读懂量子力学”。

“知识基础”指的是什么?

通常我们说一个人缺乏“知识基础”来学习量子力学,主要指的是以下几个方面:

数学基础: 量子力学是一门高度依赖数学的学科。你需要对以下内容有一定程度的掌握:
微积分: 导数、积分、微分方程是描述量子粒子行为的关键工具。
线性代数: 向量空间、矩阵、特征值、特征向量是量子态和算符的语言。
复数: 量子态是用复数波函数来描述的。
概率论: 量子力学的很多预测是以概率形式出现的。
经典物理基础: 了解牛顿力学、电磁学(特别是麦克斯韦方程组)可以帮助你理解量子力学试图解决的问题,以及它如何“取代”或“修正”经典理论。了解经典力学中的能量、动量、角动量等概念,也能更好地理解量子力学中的对应概念。
现代物理的一些初步概念: 比如光电效应、原子光谱、黑体辐射等,这些是促使量子力学诞生的历史背景和实验证据。

“读懂量子力学”又意味着什么?

这同样是一个多层次的概念:

1. 理解量子力学的基本概念和思想: 比如波粒二象性、叠加态、量子纠缠、不确定性原理、量子隧穿等。这就像了解一个新世界的“规则”。
2. 能够理解量子力学方程的含义: 知道薛定谔方程在说什么,它如何描述粒子随时间演化。
3. 能够进行简单的量子力学计算: 比如求解一个简单势阱中粒子的能级。
4. 能够理解量子力学在实际中的应用: 比如激光、半导体、核磁共振等。
5. 能够站在更深刻的角度去理解量子力学的哲学含义: 比如测量问题、实在性等。

没有知识基础的人,如何“读懂”量子力学?

如果完全没有上述知识基础,直接去读一本严谨的量子力学教材,那几乎是不可能的。就像你从未学过字母,直接去看一本用外文写成的复杂小说,你连句子都读不出来。

但是,这并不意味着“不可能”。你可以采取 循序渐进、有策略的学习方法:

第一步:建立“概念”的桥梁,而非“公式”的死记硬背。

从科普读物入手: 这是最适合没有知识基础的人的起点。市面上有很多优秀的量子力学科普书籍,它们会用生动形象的比喻、故事和历史发展来解释量子力学的核心概念。
推荐的作者和书籍类型:
卡洛·罗韦利 (Carlo Rovelli): 他的《七堂极简物理课》、《现实不似你所见》等,非常适合建立对现代物理和量子理论的直观感受。他的语言非常优美,重在思想的传递。
布莱恩·考克斯 (Brian Cox): 他的科普节目和书籍(如《黑洞与时空弯曲》),常常将复杂的物理概念与宇宙的壮丽景象结合,非常吸引人。
刘慈欣的科幻小说: 虽然是小说,但《三体》等作品中对量子纠缠、量子通信等概念的描写,虽然有艺术加工,却能激发读者对这些前沿科学的好奇心。
科普视频: 很多优秀的科普频道(如 Veritasium, MinutePhysics, PBS Space Time, Kurzgesagt – In a Nutshell 等,当然也有不少中文科普博主)会制作动画短片或讲解视频,将抽象概念可视化,这是非常有效的辅助工具。

科普读物的特点: 它们会尽量避免复杂的数学推导,侧重于解释“是什么”和“为什么重要”。例如,解释波粒二象性时,可能会用“电子既像波浪一样传播,又像小球一样有确定的位置”来类比;解释叠加态时,可能会用“一个硬币在落地前,既不是正面也不是反面,而是正面和反面的叠加”这样的例子。

第二步:逐步引入必要的数学工具,但要与概念结合。

当对量子力学的基本思想产生了兴趣和初步的理解后,就可以开始学习支撑这些思想的数学工具了。但关键在于, 不要孤立地学数学,而是有目的地去学习。

从“为什么需要这个数学”的角度切入:
例如,当你看到科普中提到“粒子可以用波函数描述”,并且知道波函数可以有“振幅”和“相位”时,你就会想知道,这些“振幅”和“相位”是怎么用数学来表示的?这时候学习复数就有了明确的目标。
当了解到量子力学的许多量(如能量、动量)是可以被“测量”的,并且测量结果是“概率”的,你就会想知道,这些概率是怎么算出来的?这就需要学习一点概率论和统计学。
当你看到“微观粒子可以同时处于多个状态”,并且这些状态可以“叠加”时,你就会好奇,这种“叠加”在数学上是怎么表示的?这时候,线性代数中的向量和叠加的概念就派上用场了。

选择“非物理专业”的数学入门书籍或课程: 有很多面向“零基础”或“初学者”的数学教材,它们讲解得更慢、更详细,并且会提供大量的练习题。你可以先学习这些基础知识,再回头看量子力学的相关内容。
可以考虑学习的数学课程顺序:
1. 基础代数和几何: 确保你对变量、方程、函数、坐标系等基本概念不陌生。
2. 复数: 学习复数的表示、运算、欧拉公式等。
3. 微积分: 学习导数、积分的基本概念和计算方法。
4. 线性代数: 学习向量、矩阵、线性变换、特征值等。

第三步:结合“概念”和“数学”,进入“低门槛”的量子力学讲解。

当积累了一定的概念和数学基础后,可以尝试一些“稍微”深入但仍非专业教材的读物或课程。

“概念先行”的量子力学教材或在线课程: 有些教材会先详细解释概念,再逐步引入数学,并且数学部分会讲解得很细致。例如,一些面向大学非物理专业(如化学、工程)的量子力学导论教材,或者一些大学的公开课(MOOC)。
寻找关键词: “量子力学入门”、“给初学者的量子力学”、“量子力学概念入门”等。
注意: 即便是“入门”,也可能需要一些高中数学或大学基础数学知识。

关于“AI撰写痕迹”的考量:

我理解您希望文章看起来更自然、更有人情味,不那么“机器人”。为了实现这一点,我会尽量避免:

过于套路化的语言: 比如“总而言之”、“值得注意的是”这类高频词汇,我会尽量用更自然的过渡词。
缺乏个人化的思考: 我会试着站在一个“过来人”的角度,分享一些学习过程中的感受,比如“刚开始接触的时候,可能会觉得很抽象”、“需要耐心”等。
刻板的结构: 尽管文章需要逻辑性,但我会避免僵硬的分点列举,而是尝试将不同的观点自然地融入叙述中。
重复性的强调: 除非某个观点确实非常关键,否则我会避免反复强调同一件事。
过于“完美”的措辞: 适当地使用一些口语化的表达,或者不那么正式的词汇,会显得更真实。

总结一下,没有知识基础的人能否读懂量子力学?

完全可以,但这不是一条容易的路。 它更像是一场“探险”,你需要:

1. 强大的好奇心和求知欲: 这是你坚持下去的动力。
2. 极大的耐心和毅力: 很多概念需要反复琢磨,数学也需要时间去消化。
3. 灵活的学习方法: 从科普到数学,再到概念与数学结合的讲解,循序渐进。
4. 不怕犯错的精神: 学习过程中遇到不懂的地方是正常的,关键是想办法去解决。

你可以先从那些“讲故事”的书籍开始,感受量子世界的奇妙之处。当你被那些“奇怪”的规则所吸引,自然而然就会想要去了解它们背后的数学原理。这个过程,本身就是一种学习和“读懂”。

所以,别被“没有知识基础”这个标签吓倒。每个人都是从“零”开始的。重要的是你是否有勇气和决心,去一步步探索这个迷人的科学领域。祝你在这场探险中收获满满!

网友意见

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可以。我读博士方向就是量子物理(量子场论),可以告诉你,普通人可以懂一些量子力学的。


量子力学对普通人是很神秘的领域,我先告诉你量子力学是做什么的,给你一个整体的感知。作为普通人,只需要了量子力学的基础,以及量子力学的应用范围就足够了。


首先,记住量子力学是处理微观粒子的物理现象的。微观粒子一般是指粒子尺度在 到 范围内。

如果尺度更小,会有强烈的能量涨落,粒子会产生和湮灭,量子力学是不适用的,需要使用更深度的理论——量子场论了。

在更大的宏观尺度上,物体是由很多很多微观粒子组成的,量子特性由于统计平均的结果而被掩盖了,物理规律用牛顿力学可以很方便地计算。


量子力学基础是:

  • 任何微观粒子,即有粒子特性(能量分离),也有波的特性(满足叠加原理,态可以叠加)。
  • 粒子的状态可以用波函数表示,波函数是粒子处于某个态的概率振幅,概率振幅的平方就是粒子处于某个态的概率。
  • 粒子态随时间的变化可以用薛定谔方程来描述。这是量子力学中最基本的方程。


有了这些基础知识,尤其是数学知识,就可以做很多计算了,从而得到很多应用,比如:

  • 一个粒子在特定势能下的状态,如量子谐振子。
  • 电磁场中粒子的运动,从而可以计算原子能谱。
  • 加上角动量的知识,可以计算电子自旋以及原子的角动量。
  • 利用更复杂的数学——微扰论,可以计算粒子的散射。
  • 研究量子态随时间的变化,可以得到跃迁理论,以及光的受激辐射。


日常生活中量子力学的应用:

  • 激光。光的受激辐射。
  • 半导体。电子在晶体中的运行形成能带结构,从而有特殊的导电特性。cpu、硬盘、二极管都基于这些。
  • 核磁共振。原子核自旋在强磁场下发生能级分裂,吸收特定频率电磁波。


量子力学是现代物理的基础理论,虽然一些概念比较反常识,主要是因为和生活中的牛顿力学经验不太相符。我学习的过程中也经历过从抗拒到接受的过程:

作为普通人,没必要太深入去研究。通过上面的一些介绍,对量子力学的适用范围和具体应用有些了解就足够了。

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