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陶三来上课(1)——量子和量子测量

(2024-06-02 03:22:14) 下一个

先说一个最最容易misunderstanding的概念吧。

人们说到,量子,这个词,第一反应是一份一份,也就是陶三说的不连续,discrete。所以提及量子力学,那就是关于很小量的something?

我把google的解释抄过来,quantum:a discrete quantity of energy proportional in magnitude to frequency of the radiation it represents.

最关键的点来了。这里说的很对,能量是和频率成比例的,背后用的是普朗克定律(公式当然是一个光子,photon),

所以上次陶三问我一个大活人能不能当做波来看,我说,瞎扯。你算算那个波长有多大?

仅从字面上理解,能量proportion to frequency也完全不是说它一定不连续(很多时候恰恰相反)。

量子,或者说不连续这个错误理解,有他的历史原因,要追溯到19世纪人们第一次完成的对原子谱线的研究。

原子只能吸收特定频率的光谱(跟我吹孔雀毛?)。而那时候的人们,对原子结构的理解是,堆在一起的小球。今天我们知道的是,原子由在外层轨道(shells)旋转的带负电的电子和带正电的核组成,这些轨道有固定的位置和形状,而且可以通过量子力学准确计算出来。

这也解释了为什么原子只能吸收特定频率光谱。因为能够造成电子从一个轨道到另一个轨道跃迁的能量是确定的。也就是说,当原子给定,和它结合的电子的能量是不连续的,但是并不是说任意一个粒子所带的电子的能量是不连续的。比如说,按照量子力学计算的结果,光子(photon)通过empty space是可以携带任何值的能量的。

Quantum遵从的理论,是Quantum Theory,Quantum Theory指的是Heisenberg's Uncertainty Principle(这一点其实不完全准确我不多写了,那再写3页也不够),但是它是帮助理解量子力学的最核心概念,即

某些物理属性的测量精度是有限的,也就是说,一种属性测量的越准确,另一种的精确度会越底,比如大家最熟悉的位置和动量。

准确或者不准确,当然是Quantum Measurement意义下。

严格说来,量子力学不是说物质是由一个一个小颗粒(Particles)组成,而是说,可以把组成物质的基本单位(elemental constituents)理解成Particles,而实际上,这些Particles是由波函数描述的。

波函数本身只是一个数学表达,它自己当然既不是粒子也不是波,但是它即可以用来描述粒子又可以用来描述波。So?

波函数最厉害的是,它不是可以观测到的量,只是一个工具,帮助我们计算(解释)我们观测到的东西(这里有点不好理解?)。好吧,那就理解成完全不知道它长什么样好了。网上见到的图三角函数那样?那是因为那样的函数满足波函数需要的条件。

当然,使用波函数计算之前,要有三个假设(不要以为假设是瞎猜噢,爱念经的才会瞎猜,真正的科学家?不会的)

1. 波函数满足薛定谔方程。我贴它最简单的表达式在这里。其中,Psi是波函数(向量),这里别的甭管,只要知道它是线性偏微分方程组就好。对不同粒子,当然得到不同的薛定谔方程。求解得频率,然后得到上面提到的能量(那是我做了很长时间的工作,这是我最爱最爱的方程)

这个方程最厉害的,第一,他保证得到的所有波函数可能的概率和是1,第二,由它得到的时间的改变是可逆的。在量子力学里,它最重要的是第三点,线性。

如果你学过高等数学,一定对线性空间这个概念不陌生——如果一个方程有两个解,那么它们的线性组合也是方程的解(这一点非常非常非常关键)。

2. Bohr Rule。描述用波函数来计算某一个度量的概率。简单说,概率是波函数的平方。

3.Measurement Postulate (Update/Collapse of the wave function)。 这个假设是说,一旦你测量完粒子的某个状态,那么它在那个状态的概率突变为1。这一点貌似不好理解,但是在我眼里最重要,如果你在测定之后不认为你的波函数是确定的,那么前面的一切是没有意义的。

确定的波函数会变得和薛定谔方程不相容?

不会的。如前所述,薛定谔方程是线性方程,任何方程解的线性组合也是方程的解。这一点用,薛定谔的猫,这个例子最好理解了。

如果一只猫state 1(死):50%概率,state 2(生):50%概率,那么当然state3=state1+state2也是它存在的状态——这不是很简单的事?所以我说网上真明白还是瞎掰的我一眼能看出来。

state3在物理上叫superposition。

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评论
kl3527 回复 悄悄话 所以我们到现在还是不知道自己是什么东西:中学说万物都来自那一百多元素,然后听说元素也都是不多几种的渣渣的排列组合,然后渣渣又来自一些更小的渣渣。但是这些渣渣又是什么?物质究竟只是一个概念还是会落实到什么“实体”,或者会只是能量的不同表现形式?但是能量又是什么?波如果只是数学对那不知道的存在具有的属性的数学表达,这个世界究竟是什么东西这个问题又可以往哪个方向问?
donau 回复 悄悄话 回复 'baladirk' 的评论 : 你说的对我是写错了。我应该写完好好读一遍再发出去的。
多谢你指出来
baladirk 回复 悄悄话 什么是\"Born Rule\"? 听说过“Bohr\". 博主讲的大部分对。不要把量子力学说绝了。爱因斯坦的相对论现在也有人在找茬。
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