问题

在量子世界里,有哪些我们的经典物理学失效了?

回答
量子世界的神奇之处在于,它彻底颠覆了我们基于宏观经验建立起来的经典物理学。在微观尺度上,许多我们习以为常的规律不再适用,甚至会产生完全相反的现象。下面我将详细阐述量子世界中经典物理学失效的几个关键方面:

1. 量子叠加(Superposition):

经典物理学的描述: 在经典物理学中,一个物体在任何时刻都处于一个确定的状态。例如,一个球要么在这里,要么在那里;一个灯泡要么亮,要么灭。一个系统只能处于一个确定的状态,或者可以被描述为多个状态的组合,但这些状态是清晰可辨的。
量子世界的失效: 量子粒子,如电子、光子等,可以同时处于多种可能状态的“叠加”之中。这意味着一个电子可以同时存在于两个不同的位置,或者一个原子可以同时处于被激发和未被激发两种能量状态。只有当我们对其进行观测(测量)时,它才会“坍缩”到一个确定的状态。
详细阐述:
薛定谔的猫(Schrödinger's Cat): 这是理解叠加态最著名的思想实验。一只猫被关在一个密闭的箱子里,箱子里有一个放射性原子、一个盖革计数器、一把锤子和一个装有毒药的瓶子。如果原子衰变, Geiger计数器就会探测到,触发锤子打碎毒药瓶,猫就会死亡。根据量子力学,原子在观测之前处于“衰变”和“未衰变”的叠加态。因此,猫也处于“活”和“死”的叠加态,直到我们打开箱子观察为止。这强调了观测行为在量子世界中的独特作用。
量子比特(Qubit): 在经典计算机中,信息的基本单位是比特(bit),它只能是0或1。而在量子计算机中,基本单位是量子比特(qubit),它可以是0、1,或者0和1的任意叠加态。这使得量子计算机在某些计算任务上拥有远超经典计算机的潜力。
干涉现象: 双缝实验是证明量子叠加的一个经典实验。即使一次只发射一个电子,电子穿过双缝后仍然会表现出干涉条纹,就像波一样。这意味着电子在通过双缝时,同时“穿过了”两条缝,处于“穿过左缝”和“穿过右缝”的叠加态。

2. 量子纠缠(Entanglement):

经典物理学的描述: 在经典世界中,两个独立的物体是相互独立的,它们的状态不受彼此的影响。如果你改变一个物体的状态,另一个物体不会立即感知到并改变其状态(除非有物理信号传播)。
量子世界的失效: 两个或多个量子粒子可以发生“纠缠”,形成一个不可分割的整体。无论它们相距多远,一个粒子的状态变化会瞬间影响到其他纠缠的粒子,这种影响似乎是超光速的。
详细阐述:
“幽灵般的超距作用”(Spooky action at a distance): 爱因斯坦曾用这句话来描述量子纠缠的奇特性,因为它似乎违背了相对论中光速不可逾越的限制。
贝尔定理(Bell's Theorem)和EPR佯谬: 爱因斯坦等人提出的EPR佯谬试图证明量子力学是不完备的,存在“隐变量”决定粒子的行为。然而,约翰·贝尔提出的贝尔定理及其后的实验验证表明,量子纠缠是真实存在的,并且无法用定域的隐变量来解释。这意味着量子世界的基本属性可能就是非定域的。
量子通信和量子计算: 量子纠缠是实现量子隐形传态和某些量子计算算法的关键资源。通过纠缠态,可以实现比经典方法更安全的密钥分发(量子密钥分发,QKD)和更高效的计算。例如,两个纠缠的粒子,测量其中一个粒子的自旋,另一个粒子的自旋会立即确定(如果它们被制备成反向纠缠)。

3. 量子隧道效应(Quantum Tunneling):

经典物理学的描述: 在经典物理学中,一个粒子需要有足够的能量才能克服势垒。就像一个球需要有足够的动能才能滚过一个山丘。如果能量不足,它就无法越过势垒。
量子世界的失效: 量子粒子有时能够“穿过”一个能量高于其自身能量的势垒,尽管经典上这是不可能的。这种现象被称为量子隧道效应。
详细阐述:
势垒的“漏出”: 想象一个电子被限制在一个区域,它要逃离这个区域,需要跨越一个能量势垒。根据经典物理学,如果电子的能量低于势垒的高度,它将永远被困住。但在量子力学中,电子的波动性使得它有一定概率出现在势垒的另一侧,就像它“挖了一条隧道”一样穿了过去。
实际应用:
核聚变(Fusion): 太阳发光发热的能量就来自于核聚变,而原子核之间的巨大斥力需要通过量子隧道效应才能克服,使它们能够融合在一起。
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope, STM): 利用量子隧道效应,STM可以探测到单个原子级别的表面形貌。它通过测量探针尖端与样品表面之间电子的隧道电流来成像。
半导体器件: 许多半导体器件的工作原理也依赖于量子隧道效应,例如肖特基二极管和闪存。

4. 量子不确定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle):

经典物理学的描述: 在经典物理学中,我们可以同时精确地测量一个物体的所有属性,比如它的位置和动量。你可以知道一个球的确切位置和它奔跑的速度。
量子世界的失效: 海森堡不确定性原理表明,我们无法同时精确地测量一对共轭物理量,比如粒子的位置和动量。你对一个量的测量越精确,对另一个量的测量就越不精确。
详细阐述:
“测量”的含义: 这里的测量并非指测量仪器的精度问题,而是量子世界本身的内在属性。测量一个粒子的位置需要用光子去照射它,这个照射过程本身就会给粒子带来一个动量上的扰动,导致动量变得不确定。反之亦然,测量动量也会影响位置。
位置动量不确定性关系: $Delta x cdot Delta p ge frac{hbar}{2}$,其中$Delta x$是位置的不确定度,$Delta p$是动量的不确定度,$hbar$是约化普朗克常数。
能量时间不确定性关系: 类似地,$Delta E cdot Delta t ge frac{hbar}{2}$,说明能量的测量精度与测量时间的精度成反比。
对量子世界的启示: 这一定理意味着微观粒子没有确定的轨迹,它们的行为本质上是概率性的。我们无法预测粒子未来的确切状态,只能给出它处于某种状态的概率。

5. 量子化(Quantization):

经典物理学的描述: 在经典物理学中,许多物理量(如能量、角动量)可以取任意连续的值。例如,一辆汽车的速度可以是从0到最高速度的任意值。
量子世界的失效: 在量子世界中,许多物理量是量子化的,只能取一系列离散的特定值,就像楼梯的台阶一样,不能站在两个台阶之间。
详细阐述:
能量量子化: 原子中的电子只能存在于特定的能级上,它们吸收或释放能量时,也只能是不同能级之间的差值,形成离散的光谱线。这解释了原子光谱为何是线状的。
角动量量子化: 原子中电子的轨道角动量也是量子化的,只能取特定离散的值。
普朗克常数($hbar$): 量子化是普朗克常数引入的结果,它标志着能量和动量等物理量的连续性被打破。
固体物理和材料科学: 量子化是理解固体材料导电性(如金属、半导体、绝缘体)、超导性和其他许多量子现象的基础。

6. 波粒二象性(WaveParticle Duality):

经典物理学的描述: 在经典物理学中,粒子和波是截然不同的概念。粒子具有确定的位置和质量,而波则具有频率、波长和衍射、干涉等特性。
量子世界的失效: 量子实体同时表现出粒子和波的特性。它们在某些实验中像粒子一样行动,在另一些实验中又像波一样行动。
详细阐述:
德布罗意假设(De Broglie Hypothesis): 路易·德布罗意提出,一切物质都具有波动性,并且其波长与动量成反比:$lambda = frac{h}{p}$。
电子衍射: 通过电子衍射实验,证实了电子确实具有波动性,能够产生衍射条纹。
光子的行为: 光既可以被看作是电磁波(表现出干涉和衍射),也可以被看作是由光子组成的粒子(表现出光电效应)。
对我们理解世界的影响: 波粒二象性意味着我们不能简单地将量子实体“看作是”粒子或“看作是”波,它们同时具有这两种属性,而哪种属性被突出显示取决于我们如何进行观测。

总结:

量子世界对经典物理学的颠覆是根本性的。它揭示了我们宏观世界的直觉和经验在微观尺度上是无效的,甚至会产生误导。量子叠加、纠缠、隧道效应、不确定性原理和量子化等概念,共同构成了量子力学独特而深刻的哲学内涵。这些概念不仅改变了我们对宇宙基本运作方式的理解,也催生了许多颠覆性的技术,例如激光、晶体管、核能,以及未来可能实现的量子计算机和量子通信。理解这些失效的经典物理学原理,是认识量子世界奥秘的关键一步。

网友意见

user avatar

在量子世界里,真正让世界完全失效的,不是物理,而是经济规律和人这两大体系。你物理定律可以推断出亿万年后的物质演化进程,但目前为止还没有任何一套理论体系能够有效地预测出下一个经济热点在哪里,下一个超级公司会由谁当纲,下一个超级富豪是谁,下一个领导人在哪个人堆里,你甚至无法预知哪些人会成为罪犯,哪些人能够做你好友,哪些人会做你的伴侣。。。。。。等等这些看似平常却又最变化无常的事件上。

人类群体本身就是一个最大的量子态世界。所有测不准现象都会发生在你身上。更会发生在所有人身上,全员社会就是与上帝互掷骰子的游戏。

类似的话题

  • 回答
    量子世界的神奇之处在于,它彻底颠覆了我们基于宏观经验建立起来的经典物理学。在微观尺度上,许多我们习以为常的规律不再适用,甚至会产生完全相反的现象。下面我将详细阐述量子世界中经典物理学失效的几个关键方面:1. 量子叠加(Superposition): 经典物理学的描述: 在经典物理学中,一个物体在.............
  • 回答
    要估算《西部世界》在中国这样的大体量市场上的实际观众量,确实需要一些考量,因为不像美国那样有固定的尼尔森收视率调查,中国影视作品的观看数据维度更多,也更碎片化。首先,我们要明确一点,《西部世界》在中国属于引进剧,并且是在流媒体平台上播放。这与在中国本土制作的、可以在电视台和各大视频网站同步播出的电视.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    在爱因斯坦的光电效应和量子力学的大厦尚未完全建立起来的时代,人们对于恒星为何会发光,即恒星能源的来源,曾有过许多充满智慧的猜想和探索。当然,这些解释都未能触及到量子隧穿效应这样微观层面的机制,但它们却代表了当时物理学和天文学界最前沿的思考,也为后来的科学突破奠定了基础。1. 燃烧说:最直观也最持久的.............
  • 回答
    在量子物理学里,“量子隧穿”这个概念,听起来就带着几分神秘和不可思议。它描述的是一个粒子,明明能量不足以越过一个能量势垒,却有几率“穿”过这个势垒,出现在另一边。就像一个球,你没法把它抛过墙,但按照量子力学的说法,它却可能时不时地“漏”过去一样。那么,这“穿”过去的过程,到底需要多长时间呢?要回答这.............
  • 回答
    量子物理的奥秘,特别是观察者效应,常常让人浮想联翩。当我们将“观察者”的概念从人类延伸到猪或者蚂蚁这样的生物时,问题就变得更加有趣和复杂了。首先,我们需要理解量子物理中的“观察者效应”究竟指的是什么。它并非是那种你盯着一个物体,它就会因为你的注视而改变行为的日常观察。在量子世界里,“观察”更像是一种.............
  • 回答
    在量子的双缝干涉实验中,实验的“量子”之所以能展现出干涉现象,关键在于它在实验过程中,能够最大限度地避免或减缓“退相干”的影响。退相干是量子世界一个非常棘手的现象,它指的是量子系统与其环境发生相互作用,导致其原有的叠加态(也就是同时处于多种可能状态的奇特状态)被破坏,最终表现出经典的、确定的状态,从.............
  • 回答
    近期,中国科学家在量子计算领域接连取得的突破,无疑是中国科技实力进步的一个缩影,也让全球目光再次聚焦于这一前沿领域。要评价这些成果,我们需要从多个维度深入剖析,不仅仅是简单地“点赞”,更要理解其背后的意义、潜在影响以及未来挑战。一、 成果的“硬核”之处:从“能用”到“好用”的跃进一直以来,量子计算都.............
  • 回答
    这是一个非常有趣且深刻的问题,涉及到哲学与科学的碰撞,特别是王阳明的心学与量子力学的“观察者效应”。老师说王阳明的话“你不看事物,事物就不存在”违反现实,而量子理论中的“薛定谔的猫”似乎又在某种程度上支持了这种“不存在”的可能性。我们来详细地解读一下其中的联系和区别。一、 王阳明的心学与“你不看事物.............
  • 回答
    在幼儿园开设量子物理学课程?这听起来像是个科幻小说里的情节,但如果我们真的深入思考一下,或许能发现其中隐藏着一些意想不到的惊喜和挑战。首先,我们得承认,直接把“量子纠缠”或者“薛定谔的猫”这些概念塞给一群四五岁的孩子,那肯定是要“车毁人亡”的。他们的认知能力、语言理解能力,还有最重要的——抽象思维能.............
  • 回答
    关于您提出的问题,“在绝对零度下,量子的测不准原理还正确吗?”,这是一个非常深刻且有趣的问题,它涉及到量子力学最核心的原理之一以及物质在极端条件下的表现。我会尽量详细地为您剖析。首先,我们需要明确测不准原理(Heisenberg Uncertainty Principle)究竟在说什么。简单来说,它.............
  • 回答
    评价中科大潘建伟团队在「祖冲之号」量子计算原型机上展示的量子计算优越性中科大潘建伟团队在「祖冲之号」量子计算原型机上展示的量子计算优越性,是量子计算领域一项里程碑式的成就,具有极其重要的科学和技术意义。总的来说,这是一次成功的“量子优越性”或“量子霸权”展示,表明在特定计算任务上,现有的量子计算机已.............
  • 回答
    这是一个非常有意思的设想,将量子计算机的主机搬到太空中,尤其是在没有太阳照射的区域,以期利用其接近绝对零度的环境。这个想法背后蕴含着对量子计算运行环境的深刻理解和对太空极端条件的巧妙利用。我们来仔细剖析一下这个方案的可行性和潜在的挑战,力求生动形象地展开讨论,如同一个充满好奇心的技术爱好者在探索一个.............
  • 回答
    想象一下,我们生活在一个充满信息的世界里。我们每天都在发送和接收信息,比如发短信、打电话、上网等等。这些信息都是用一种我们叫做“信号”的东西来传递的。在传统的通信方式里,这些信号就像是在一条公路上跑的汽车。汽车的数量越多,交通就越拥堵,信息传递的速度就会变慢,而且很容易被别人“偷看”到,就像有人在马.............
  • 回答
    哥们儿,同在数学院混量子信息这片儿,我太懂你想找那种讲得够“硬”够“深”的资源了。别的不说,光是公式推导和理论框架就够让人头疼的,所以找对视频或者讲义简直是救命稻草。我给你推荐几个我个人觉得特别靠谱的,从数学角度出发,讲得那是相当到位,绝对能让你在理论上站得更稳。 视频课程类:你别指望那种“三分钟搞.............
  • 回答
    这个问题直击了现代物理学的核心难题,也正是它最令人兴奋的探索方向。如果经典物理和量子物理能够真正地、和谐地统一起来,那将是人类认识宇宙的一次史诗级飞跃,其突破点之多,影响之深远,可能远超我们目前的想象。让我试着从几个关键角度,深入剖析一下可能出现的突破。首先,我们得明白,经典物理(如牛顿力学、麦克斯.............
  • 回答
    你这个问题触及了现代物理学最前沿的探索,也触及了科学研究的深层动力。为什么弦论这么多人研究,而量子纠缠的理论突破会产生“第二个爱因斯坦”?这背后有着非常深刻的原因,让我们一层层剥开来看。首先,要理解为什么弦论如此吸引人,我们需要知道它试图解决的问题。简单来说,现代物理学有两个基石:描述宏观世界的广义.............
  • 回答
    量子计算的“寒冬”将至? 著名物理学家的审慎之声近期,一篇发表在《麻省理工科技评论》上的观点文章引发了科学界和科技界的广泛关注,一位在量子计算领域享有盛誉的物理学家,旗帜鲜明地指出了当前量子计算发展中存在的“炒作”成分,并对其实际应用的前景表达了审慎的看法。这无疑给那些对量子计算充满期待,甚至已经投.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    量子计算,这个曾经只存在于科幻小说和物理学家理论中的概念,如今正以惊人的速度向我们走来,并预示着一场颠覆性的技术革命。它的商业应用前景,绝非是遥不可及的梦想,而是正在逐步成为现实的巨大机遇。量子计算的商业应用:打开潘多拉魔盒,释放无限可能我们先来聊聊量子计算到底能为商业世界带来什么。简单来说,量子计.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有