财讯：既死又活的薛定谔的猫，你有没有可能读懂量子力学？

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文/陈根在物理学的迅速发展道路上出现过薛定谔的猫、芝诺龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖四个神兽。 这四大神兽中最有名的量子力学中最有名的思想实验可能是薛定谔的猫。 一只猫被困在装有有毒气体的箱子里，决定是否释放有毒气体的开关是放射性原子。 在这个实验中，放射性原子崩溃时会释放毒气，这只猫会被毒死。 但是，我不知道这个原子会不会崩溃。 我们想知道这只猫是否死了。 我只能试着打开箱子。 但是，当我们不打开箱子看的时候，这只猫处于生与死的重叠状态，即死与生的状态。 薛定谔的猫的厉害之处是从宏观尺度阐述了微观世界的量子叠加原理，即把微观不明确转换为宏观不明确，把微观物质观测后是粒子还是波浪的存在形式和宏观猫巧妙地结合起来，介入时的量子存在形式 之后，量子力学理论的核心是薛定谔方程，薛定谔方程类似于牛顿在古典力学中的第二定律。 但是，两者的区别在于，薛定谔方程建立在薛定谔的猫这一有名的思想实验中。  ； 无法解释穿越时空量子物理的创始人尼尔·保罗曾经说过。 “如果不为量子力学所惑，他就不理解这一点。 “确实如此，但我有办法探究量子力学的奥秘。 确实，量子力学和相对论作为20世纪最重要的两项科学成果将在我们的未来发挥重要作用。 1900年，普朗克在论文中首次提倡能量不连续性，踢开了量子力学的大门。 那么，量子到底是什么呢？ 如果把长1米、宽1米的物体放大10倍、再放大10倍，然后放大一千倍、再放大一千倍，最后放大100亿倍，就进入量子世界。 在量子论的世界里，所有的物质都还原成61种基本粒子。 其中最重的基本粒子，质量也在3.1×10^-25以下。 与宏观世界不同，量子论世界的许多物理量是不连续的，具有例如质量、电荷甚至能量等最小的单元。 这些单元格不能分离，任何数值都只能取它们的整数倍。 这就像你可以从口袋里拿出五毛或一美分，但你永远拿不出一半的美分。 量子是这些不可分割的最小单位。 普朗克提出了放射量子假说，电磁场和物质交换能以间断的形式(能量子)实现，能量子的大小与放射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，得到黑体放射能分布式，成功地解释了黑体放射现象。  ； 1905年，爱因斯坦引入了光量子(光子)的概念，展示了光子的能量、动量和辐射的频率与波长的关系，成功地说明了光电效应。 然后提出固体的振动能也是量子化的理论，说明了低温下的固体比热问题。 1913年，玻尔根据卢瑟福的核原子模型建立了原子的量子理论。 根据这个理论，原子中的电子只能在个别的轨道上运动，原子有明确的能量，其状态称为“稳态”。 另外，原子从一个稳定状态到另一个稳定状态，不能吸收或放射能量。 这个理论有很多成功之处，但还不足以进一步解释实验现象。 1924年，在爱因斯坦光量子概念的启发下，德布罗意提出了物质波假说，最终将光所具有的波粒二象性赋予所有的物质粒子，指出自然界所有的物质都具有波粒二象性或“量子特征”。 德布罗意的物质波概念为发现量子法则提供了最重要的理论基础。 从1925年到1926年，量子力学诞生了第一个定量描述物质量子特征的理论。 1925年7月，海森伯根据玻尔原子理论发现，物理量(如位置、动量等)及其运算可以用新的形式和规则表现时物质的量子特征，如原子谱线的频率和强度一致证明，这涉及量子规则 1925年底，在爱因斯坦的建议下，薛定谔仔细研究了德布罗意的论文，产生了物质波需要进化方程的想法。 1926年年初，在反复试验和努力之后，薛定谔终于发现了物质波的非相对论进化方程，即今天众所周知的薛定谔方程。 薛定谔方程的发现标志着量子力学另一种方式体系——波动力学的建立。 1926年下旬，看起来非常不同的矩阵力学和波动力学很快被解释为数学等效。 薛定谔首先说明了波动力学和矩阵力学的等价性 之后，狄拉克进一步通过变换理论统一了矩阵力学和波动力学。 这样就建立了量子力学的理论体系 从那以后，人类开始进入量子时代。  ； 在量子生活中，非常远的量子力学和我们的生活有什么关系呢？ 其实现在量子力学不情愿地渗透到我们的生活中。 量子力学的第一个应用是激光 平时我们经常看激光脱毛的广告。 激光照在脸上色斑就消失了。 一扫胳膊，体毛也掉了 这是什么原理呢？ 我知道物质都是由原子构成的 原子核中有原子核，原子核外有在固定轨道上运动的电子，根据在轨道上运动的电子而具有不同的能量。 这是什么意思举个简单的例子，我们爬楼梯的话，10楼明显比5楼累，越高消耗的能量越多，消耗的能量转换为我们的重力势。 换句话说，10楼的重物本身比5楼的重物具有更多的能量。 在地球上发射火箭也一样。 发射时消耗的燃料越多，火箭离地球越远，其自身的能量也就越大。 原子世界也遵循同样的法则 要把电子送到更高的轨道上，需要给予越来越多的能量。 换句话说，在高轨道上的电子，本身也有很高的能量。 激光和其他任何光一样由光子组成，每个光子都有一定的能量。 生活中常见的光，例如太阳光，含有很多光子，这些光子的能量有大小不同。 但是激光很特别，其中各光子的能量一样大。 这是激光和普通光的最大区别 正如我刚才所说，内部电子的能量因轨道而异。 而且，每个激光光子还具有特定的能量。 激光照射皮肤时，如果皮肤的电子能量与激光光子的能量不一致，那激光就不会被吸收。 相反，它吸收这种激光。 激光祛斑的工作原理是这样的 激光照射到脸上时，好的皮肤电子能量与激光光子能量不一致，所以不会受到损伤。 黑色斑块中的电子能量与激光光子能量匹配，因此吸收激光，最终被激光破坏。 激光脱毛的工作原理也是如此 量子力学的第二应用是半导体 半导体现在广泛应用于我们的生活中 我们手里拿着的手机、在家看的电视，以及平时使用的电脑，其中最中心的部件是半导体。 那么什么是半导体呢？ 已知原子有电子，在某种条件下电子从原子核的束缚中释放出来，在某种材料中自由运动，形成电流。 如果把运动的电子当作车，把电子行驶的材料当作道路，就容易理解了。 电流不大，或者车开得不快，取决于道路的路况。 有些材料路况良好，车能在上面跑得很快，明显不受干扰，这种材料叫导体。 大部分金属，例如铜、铝、铁是导体 有些材料，路况不好，障碍很多，车一上路就不出水，完全不能跑了。 这种材料称为绝缘体 我们常见的陶瓷、橡胶、玻璃都是绝缘体 但是，我有一点特殊的材料。 他们的路况很奇怪。 路上有很多障碍，通常开车会堵住。 但是，如果温度上升等外部条件发生变化，车又可以在道路上行驶了。 这些特殊的材料是半导体 这些奇怪现象的出现还是由量子力学引起的 半导体技术实际上是基于由量子力学派生的能带论，或者固体能带论和量子力学中的重要结论。 半导体电子器件的工作本质是利用电场控制载流子的传输，载流子的传输需要在不同的温度下控制载流子浓度。 半导体电子器件中的物理核心根据电子器件而不同，通常是pn结和mos接触。 但是，关于pn结和mos接触中载流子浓度的控制，需要用固体物理中的能带理论进行说明来指导 可以说能带理论是根据量子力学的规则建立和计算的。 利用半导体的特征，可以制作非常有用的电子部件。 其中最重要的是二极管和晶体管。 二极管有非常特殊的性质。 向一个方向施加电压会产生电流。 即使反方向施加电压，电流也不会流动 这就像城市的单向通行。 你可以朝一个方向开车，但不能朝另一个方向开车。 二极管有什么用？ 可以在电路中发挥开关的作用 led是发光二极管的简称，led的发明者赤崎勇、天野浩、中村修二于年获得了诺贝尔物理学奖。 led灯是一种特殊的发光二极管 采用发光二极管有什么好处呢？？ 第一，其发光效率非常高，比以往的白炽灯高得多，非常节能。 所以现在在宜家这样的很多商店，卖的灯泡都是用发光二极管做的。 第二，其采用寿命比白炽灯寿命长10倍以上。 这些优点也被认为是led将来最主流的光源。  ； 量子科学作为代行物理学的两个基础之一，是现代物理学不可或缺的概念。 今天，我们人类对量子科学能理解和解释的东西还非常有限。 我说:‘不要告诉上帝我该怎么办。 正如《打开量子纠缠和平行宇宙的门》一书中所讨论的那样，我们为什么有心灵感应？ 我们为什么长得像呢？ 我们为什么会出现梦想与现实重叠的现象？ 生活中的一点事件很难用曾经的科学理论的观点来说明，但用今天的量子科学可以得到说明。 曾经，量子力学可以说是离我们足够远的科学，但现在静静地出现在我们的生活中。 什么样的我们曾经梦想的技术，从智能面具到智能戒指，前面有麻将机器人，后面有能识别人类感情的游戏一起玩机器人，去年看到了足够新的技术。 这个世界处于波浪重叠的风口上 现在尖端科学技术的迅猛发展不断改变着人们的日常生活，追求科学技术和完美的思潮逐渐成为时尚，尖端科学技术也不再是描述小伙的名片。 相反，它成为不断改革热情和创新的意识形态。 人们常说人生读写的心事开始了。 (我们总是说)所以读书 当然，这里的忧患可以用“混乱”或“好奇心”代替。 只要人还对万物有好奇心和新鲜度，这是很棒的。 智力好奇心和探索新事物的欲望成为我们前进的最大动力