解读神秘的量子力学,为什么如此诡异?

宇宙时空 2024-12-07 15:59:07

二十世纪物理学的进展呈现三大支柱,其中之一为爱因斯坦的相对论,规范场论,再就是量子力学的蓬勃发展。中国在量子力学的海洋中奋勇前行,取得了世界瞩目的科研成果,如中科大教授潘建伟引领的量子通信应用及量子计算机的研发。

不过,量子通信之外,市面上涌现出“量子可穿戴产品”,“量子学习设备”等五花八门的商品。如量子内衣、量子能量吊坠、量子鞋垫、量子波动速读等;厂家大力宣传这些产品具有神奇的保健效果,甚至宣称能够延年益寿。实际上,这些产品大多只是追随量子的热潮,其营销手法实则充满了圈套。那么量子究竟是什么?这些量子产品是否真如宣称的那样神奇?

让我们回到19世纪的最后一天,在物理学界准备迎接新世纪的庆典上,著名科学家开尔文公爵发表演讲,他认为物理学的大厦已基本完工,仅需进行微调。这里,开尔文所指的物理学大厦,包括了牛顿的经典力学和麦克斯韦的经典电磁学,即经典物理学。他自信地认为,基于这两者,所有物理问题均能迎刃而解。

然而,开尔文又忧心忡忡地指出,在经典物理学的天际,悬着两片乌云,分别是以太和黑体辐射。许多物理学家耗费心力想要解开这两大谜团。爱因斯坦在构建相对论的过程中排除了以太的存在,而德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时,提出了量子这一革命性的概念。

黑体辐射,指的是一种只能吸收或辐射电磁波、不能反射电磁波的物质所释放的辐射,太阳就是一个例子。根据经典物理学推导出的维恩定律,在低频区域与实验数据并不相符,而在高频区域,从经典物理学的能量均分定理推导出的瑞利-金斯定律又与实验数据不相符,在辐射频率趋向无穷大时,能量也会变得无穷大,这结果被称作“紫外灾变”。

普朗克在研究黑体辐射问题时,将从经典物理学推导而来的维恩公式与波尔茨曼熵公式相结合,得出了一个完全符合实验数据的全新公式。为了使这个公式自洽,普朗克大胆地假设电磁波的能量不是连续的,而是一份一份的,其中每份能量是一个基本单位能量的整数倍,这个基本单位能量被称为能量量子。

这一假设是前所未有的,它颠覆了经典物理学的理论体系,以至于普朗克本人都对此抱有怀疑态度。然而,普朗克的理论为后续的物理学发展指明了方向。

而爱因斯坦在1905年发表的一篇关于光电效应的论文中,采纳了普朗克的量子概念,认为电磁波本身就是由能量量子组成的,称之为光量子(后简称为光子),正因这篇论文,爱因斯坦荣获了迟到的诺贝尔奖。

自量子论诞生以来,其物理含义在发展过程中不断丰富,从起初代表离散的数学思想和物质核能量的最小单位,到如今“量子”一词代表着量子世界中的所有物质实体,如光子、电子、原子、原子核、基本粒子等,它们都必须遵循量子力学的规律。

量子力学作为物理学的重要理论分支,与经典力学有着本质的区别。整个20世纪的头10到20年代,以玻尔为首的哥本哈根学派引领了量子力学的进展。玻尔提出了互补性原理,海森堡则提出了不确定性原理等核心理论。

无需深入探究这些核心理论的细节,它们揭示了量子世界中与众不同的性质,其中最核心的思想是量子纠缠、量子叠加以及量子坍缩。

1.量子叠加

我们知道,光子有偏振量、角动量等特性,量子纠缠意味着,如果两个成对的光子中的一个的偏振量已知,那么另一个的偏振量也会立刻确定,无论它们之间的距离有多远;而量子叠加就是我们在未测量光子的偏振量时,无法确定其真实的偏振量。

例如,在量子世界中,一只兔子既是雄性也是雌性,也就是说,兔子的性别处于叠加态,这就是量子叠加。

2.量子纠缠

假设测量身边的另一粒子,必定是第一个粒子的互补态,那就等价于"瞬间"知道了天边另一粒子的状态,用俗话讲就是"超距感应""隐形传态",这就叫做量子纠缠。

3.量子坍缩

量子坍缩是指在未测量之前,我们完全无法预测量子的状态,这是一种真正的随机性;一旦开始测量,量子会“塌缩”成一种可能状态,就像它一直是那样一样。

1.量子通信技术

量子通信正是利用了量子力学这一尖端技术。因了解量子及量子力学的人并不多,导致量子通信从诞生起就备受争议。实际上,量子通信并不直接使用量子来通信,而是利用量子纠缠的特性来对传统电磁波通信进行加密。

量子通信包括经典通信信道和量子信道。通信双方在通信时会发送一串光子作为通信密码,与经典信道一起构成量子通信。

量子通信的优点在于其难以破解,因为每次发送的光子一旦被拦截,通信卫星会立即察觉,且无法复制光子,因为观测会导致光子立即坍缩。

2.量子计算机

量子计算机是利用量子技术的产物,尽管目前还未研发成功。

传统的电子计算机利用电平的高低代表数据,如高电平代表1,低电平代表0,0和1组合成计算机语言,称为比特。量子计算机中则使用量子比特,具有量子叠加性,即每个量子比特可能同时为0和1。

量子比特还具有量子纠缠性,一个量子比特的变化会立即影响与之关联的其他量子比特,无论距离多远。这意味着通过观测知道其中一个状态,另一个状态也就清晰了。

可以看出,真正的量子技术应用研究充满挑战,几十年未能形成商业应用。全世界的科学家们都在为此努力;而那些宣传利用量子科技的产品,不过是迎合人们的心理需求而已。通过简单的科学原理,我们可以轻易识破这些产品的营销手法。

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