你对量子物理学是不是也有这六点误解

发表于 2019-04-20 11:35:56 收藏 已收藏
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你对量子物理学是不是也有这六点误解

发表于 2019-04-20 11:35:56
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多年来,我一直在推广自己的研究领域——量子物理学。一般公众都觉得这是个很吸引人的话题,书籍和杂志封面也常常表现它的神秘。然而,在物理学的这个领域中出现了许多误解,我写这篇文章的目的就是要通过事实来揭穿这其中的6个错误观念。

别担心,你并不需要了解多少的量子物理学知识才能阅读这篇文章。我不是要解释什么是量子物理学,而是主要要解释它不是什么……

1、“量子物理学全都是关于不确定性”

并不是!事实上,量子物理学可能是人类创造的最精确的一门科学。它能够以极高的精度预测某些性质,甚至可以精确到小数点10位之后,这都在后来的实验中得到了证实。

这种错误观念部分来源于海森堡的“不确定性原理”。海森堡指出,当同时测量两个量时,比如一个粒子的速度和位置,测量的精确性是有限度的。但是当量子物理学被用来计算其他的物理量时,比如能量或者原子的磁性,它可以达到惊人的精确度。

2、“量子物理学无法被可视化”

量子物理学描述的对象通常有些“奇怪”,而且很难描述出它们的图像,比如波函数、叠加态、概率幅、复数等等。人们常说,只有用数学方程和符号才能理解这些概念。尽管如此,我们物理学家在教导和推广这些概念时,仍然会描述它们的图像。我们会使用图表、绘画、隐喻、投影仪和许多其他设备。这些都没什么,因为不仅是学生,甚至像我们这样资深的量子物理学家也需要在头脑中对正在摆弄的对象形成一幅图像。有争议的部分在于这些图像的准确性,因为我们很难准确地表示一个量子对象。

通过与设计师、插画家和视频制作者合作,Physics Reimagined(重新想象物理学)研究小组试图以所有可能的形式来“绘制”量子物理学:折纸、视觉文学、雕塑、3D动画等等。

3、“即使科学家也不懂量子物理学”

量子物理学领域的一位领军人物费曼曾说过:“我想我可以有把握地说,没有人真正理解量子力学。”但他接着马上补充说:“我将告诉你们大自然是如何运作的。”这个学科的奠基人之一玻尔给出了一个很好的总结:“那些在第一次接触量子理论时没有被震撼的人,不可能真正理解它。”

当物理学家在处理量子的数学形式描述时,他们确实明白自己在做什么。他们只是需要让自己的直觉适应这个新领域及其内在的矛盾。

4、“少数几个杰出的理论学家提出了量子物理学的整个概念”

量子物理学的整个历史恰恰表现了完全相反的事实。一开始,在实验室中出现了一些意想不到的结果,比如光电效应、黑体辐射、原子的光发射光谱。直到后来,当爱因斯坦、普朗克、玻尔和其他人试图提供解释时,这一领域才有了杰出理论学家的加入。

随后基础实验继续跟进,包括会从镍上诡异地反弹的电子,因磁场而发生奇怪偏转的银原子,以及在低温下可以完美导电的金属等等。然后理论和概念再次出现,出现了对偶性、自旋以及超导性等概念。理论与实践之间这种富有成效的来回交流是建立物理学的根基。除了极少数情况外,通常都是实验最先出现。

5、“爱因斯坦是量子物理学最大的敌人”

爱因斯坦经常被描述为一个对量子物理学充满恶意的反对者,这可能是因为他的那句名言:“上帝不会和宇宙玩掷骰子。”然而事实是,他不仅不反对量子力学,而且他还创造了量子力学!

1905年,在普朗克的工作基础之上,爱因斯坦写了一篇基础性的文章——《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。在这篇文章中,爱因斯坦提出,光是由小的、独立的、一份一份的物体组成的,它们名为光子。事实上,让他获得诺贝尔奖的正是这项工作,而不是他在相对论方面的研究。

爱因斯坦之所以留下这样的“恶名”可能是源于他与玻尔关于量子力学的论战,尤其是关于诠释和量子实在的概念,因为他不接受非定域性的概念。后来,关于量子纠缠和违背贝尔定理的实验证明了爱因斯坦是错误的,并证明了隐变量的缺失。爱因斯坦完全理解量子物理学的相关性,他只是对它的一些含义有所疑虑,特别是在于定域性有关的问题上。

6、“量子物理没有实际用途”

量子物理学可能是现代物理学中最有用的学科。一旦物理学家理解了光、原子和电子的工作原理,就能对它们进行操纵。激光、医院里的核磁共振成像、LED灯、闪存、硬盘,还有更重要的晶体管和电子器件,所有这些技术都是量子物理学家发明的。

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