量子力学是什么?有哪些用途?
量子力学的基本原理是建立在量子态的基础上的,量子态其实就是一个矢量,与我们三维空间中的矢量也差不多。
不过,量子态作为一个矢量是生活在哪个空间的呢?这个是我们最需要关心的问题,答案是:希尔伯特空间。
希尔伯特空间是以数学家希尔伯特来命名的,但你不要被这个空间吓倒,其实也很简单,你把它想像成一个矢量空间就可以了。
如果你不明白什么叫矢量空间,那就可以去翻翻线性代数的书,那里一上来就给出了7条定义,来定义线性空间。线性空间就是矢量空间。
那么好了,现在我们已经知道,量子态作为一个矢量是生活在希尔伯特空间的。
有了这一点,那么你就可以知道,线性空间的所有性质,都可以用在量子态上。所以在这个意义上,量子力学就是线性代数。
当然,量子力学比线性代数要多一些东西,多出来的东西叫什么呢?其实就是你还要有演化的概念,那就是量子态随着时间会演化的。
那么演化是什么?
其实也很简单。量子力学的演化就是矢量在线性空间里绕着原点旋转,在旋转的过程中,矢量的方向在变,但长度不变。这个旋转在量子力学中被称为幺正演化,其实也就是我们平常说的薛定谔方程。
所以,要想理解量子力学,你需要有一定的线性代数的基础,如果你是文科生,那么要理解量子力学就会困难一些。为什么文科生会觉得困难?大概原因就在于大部分文科生没有学过线性代数,所以无法建立起量子态的直观的图像,因此陷入了一种似是而非的迷惘里。
中微子真的能穿透任何物体吗?
“中微子”的穿透力确实强的吓人,这也是它最大的特点,但并不是说它就不和任何物质发生反应,只是发生的概率极其低而已。那为什么它的穿透力特别强呢?
中微子这事其实应该从β衰变聊起,那啥是β衰变呢?其实指的是原子核内的中子在弱相互作用下发生衰变,成为了一个质子和一个电子,还有一个中微子的过程。
当然,最早科学家可都不是这么想的。因为,他们的设备其实没有那么灵敏,导致他们一直没找到中微子。然后,他们把反应前后的能量和动量一算,他们就无语了,除了电荷守恒了,能量和动量咋还不守恒呢?
这简直要颠覆物理学的铁律“守恒律”,所以当时其实困扰了许许多多的科学家。甚至连一位超神级别的物理学家都栽了跟头,这就是尼尔斯·波尔。他就提出,可能在微观世界“能量守恒定律”是不成立的,试图要用这样的办法来解决问题。
不过,还是有明白事的人,他就是号称“上帝之鞭”的泡利,这个人怼起科学家来眼睛都不眨的,连爱因斯坦每次上台演讲都要瞅一眼泡利来没来。他就在一次大会上提出。
大家一定要相信在微观世界里,能量守恒定律同样是成立的。β衰变的过程中,应该是存在一种小质量的中心粒子,只是我们没有检测到,它带走了亏损的能量。可能你要纳闷了,不是缺失了能量么?为啥泡利提的是质量。实际上,这和很多人的误区有关,许多人常常认为爱因斯坦的质能方程适用于核物理,讲的是“质量转化为能量”的事情。
实际上,质能方程的适用面特别广;而且质能方程也可以叫做质能等价,其实说的是质量和能量是一回事,它们其实是一个东西的两个面,而不是相互转化的关系。因此,在微观世界中,为了方便实验,科学家会把粒子的质量和能量都等价于能量来进行计算。尤其是在高能加速器进行粒子对撞时,探测的就是能量。
科学家就是把狭义相对论中的质能等价和量子力学结合到一起得出了量子场论,提出的粒子物理标准模型的。
我们再回到正题,实际上泡利的坚持是对的,后来费米把他提出的这个粒子命名为中微子。
中微子为什么穿透性那么强当然光是命名是没有任何意义的,还得找到才行。可中微子其实一点都不好找。有这么几点原因:
质量很小:根据理论计算,中微子的质量非常非常小,小到接近于0,科学家计算发现,中微子的质量上限也就只有电子质量的百分位之一而已。由于静止质量极其小,导致它的速度可以非常接近于光速。不参与电磁相互作用:中微子是电中性的,也就是不带电荷的。这就导致它其实不参与电磁相互作用。不参与电磁相互作用有啥用呢?观测利用的是电磁相互作用:而我们观测一个物体,本质上利用的就是电磁相互作用,具体的过程和人看东西是一个道理,远方的物体发出电磁波,然后被我们接收到。最常见的其实就是光,我们接收光的过程,其实就是利用的电磁相互作用,所以,其实光子是参与电磁相互作用的,这也是为什么,你拿东西一档,光就没了的原因。这也是为什么光子的穿透力远不如中微子的原因。我们说了造成中微子穿透力特别强的原因,现在我们再来说说具体体现出来的效果。我们可以来看三个数据:
我们的身体每秒钟会有10万亿个中微子穿过,而我们根本毫不知情。中微子在宇宙中走过1亿光年的路径,才有50%的概率和该路径上的物质发生反应。太阳核心核聚变,每产生3个光子都会伴随着2个中微子的产生,光子从核心到达太阳表面,平均需要14万年的时间,这是因为太阳是等离子体,光子会受到各种阻碍,跌跌撞撞地出来;而中微子可以无视一切,直接传出来,几秒钟就穿出来了。所以,基于上面的描述,我们并不能说中微子并不和任何物质反应,只是反应的概率极其低,导致它的穿透力特别特别强。
中微子也是参与反应的中微子通常通过弱相互作用发生反应,科学家观测中微子的方法其实就是利用了这个特点。它会和水中的氢原子核(也就是质子)发生反应,产生一个中子和一个正电子。
这也解释了为什么中微子探测器总是装的满满的纯水,比如:日本神冈中微子探测器,就是地下矿井中装了5万吨的纯水。
除了会参与弱相互作用之外,中微子还会变身,早期科学家在观测太阳中产生的中微子时,观测到的中微子数量一直就只有理论值的1/3,这问题困扰了科学家很长很长的时间。直到2001年,科学家才发现,中微子实际上是有3种,这也就算了,更让人捉摸不透的是,它们还会相互转化,这也被叫做中微子振荡。
正是基于中微子这些奇怪的特性,人们也管中微子叫做:幽灵粒子。我们可以总结一下,中微子之所以穿透力强,是因为质量很小,速度快,电中性,不参与电磁相互作用,而观测需要利用电磁相互作用。但它也并不是完全不参与反应,它还是参与弱相互作用的,只是概率极其低。所以说,它能穿越任何物体并不十分准确。除此之外,中微子一共存在三种,它们之间还会相互转化,也被叫做中微子振荡。
关于量子力学有什么好玩的事情吗?
《量子力学》作为现代物理学两大基石之一,作为研究微观世界的力量支柱,自然会吸引着科学界众多科学家为之着迷,在量子力学中不但存在着与经典物理学相悖的现象,同时它的神秘与神奇更是让科学界沸腾。下来我们就来了解这下量子力学中三个有趣的假想与实验:
①薛定谔的猫:在二十世纪初普朗克提出了能量量子化,之后由哥本哈根完善,不久薛定谔也投身于量子力学的研究中。薛定谔假想量子微观世界中可能发生着我们宏观世界无法相信的怪异事件,假想中薛定谔把自己的猫放进一个不透明的箱子内,并且在箱内放置一个衰变几率为50%的元素,这个元素的一头被固定在箱子的内壁上,另一端通过一根绳子拉着一个斧头,斧头的下方放置着一瓶毒药,那么如果元素发生衰变那么斧头会下落砸碎毒药瓶毒死猫,如果这个元素不发生衰变那么猫就不会死。这个时候把箱子密封,由于这个元素的衰变几率为50%而箱子又是密封且不透明的那么这时猫有50%的几率被毒死,也有50%的几率没被毒死。此刻我们在微观量子力学中称这只猫正处于生死的叠加态,也就是说这只猫现在是即死又活的。而当我们打开箱子后由于有观测者意识的参与这只即死又活的猫会瞬间确定一种到底是死了还是活着的状态。这个假想实验想实验的有趣之处就在于在微观量子力学的世界中任何物质都可能存在着两种状态而有意识介入的时候会立马呈现出一种确定的状态。
②双缝实验:双缝实验其实与薛定谔的猫有着相同之处,都是讲述了如果有意识的介入就会产生观测结果的不同。实验中第一轮实验在挡板S1的中间开一条竖缝a,在挡板S1后方先放置挡板F之后用一束光去照射挡板S1,光线穿过挡板S1后打在挡板F的光线集中在竖缝a的正后方,其他区域则显得黑暗。而第二轮实验中在挡板S1与挡板F中间有增加了一块开了两条竖缝b、c的挡板S2,这时再用一束光照射挡板S1时穿过挡板S2的光线却不是集中再竖缝b、c的正后方。这种情况就像是我们往水中不同位置丢两块石头水波会慢慢相交形成新的波纹,这种现象也称为粒子的波粒二象性,就是说微观粒子其实是以波纹形式传播的同时粒子也不是连续的其实是一粒一粒的,所以在光波的交界处的光影显得更加明显。最后科学家为了看清这一现象的发生过程用高速粒子摄像机拍摄时,有趣的现象发生了,这束光不在以波的形式传播变得平稳且光影集中的区域又出现在了竖缝a、b、c的正后方。这一实验也证实了微观量子世界如果有意识的介入便会出现不同的观测结果。
③量子纠缠:量子纠缠中打破了经典物理学中光速是不可被超越的规则,量子纠缠中认为只要是两个有相互纠缠物体不管他们的距离是地球到太阳的距离或者是地球到银河系中心的距离又或者是地球到宇宙的边缘或者其他的平行宇宙的距离即使再远只要对其中一个物体进行刺激那么另一个会瞬间做出反应这样的速度岂不是要比光速快上N倍了么?这种不受距离影响的作用在未来科研中相信一定会给我带来更多的乐趣。以上三个实验与假想在量子力学中给我带来了很多乐趣与不可思议,也相信更多有关量子力学的神奇与奥秘也正在赶往与我们见面的路上吧!
你相信人是有灵魂的吗?
许多高僧大德都相信人有灵魂,灵魂存在于六道轮回之中,我也相信人是有灵魂的。
丰子恺先生当年讲,人类的生活分为三个层次,一是物质生活,这是我们大多数人的生活;二曰精神生活,是在物质生活基础上的精神文明;三曰灵魂生活,这是对人生终极意义的探讨。人的灵魂不死,在六道轮回中循环不已,人的灵魂永世。
上午在单位闲聊,我的同事讲了一个发生在他小时候的灵异事件。事件的经过是其早年夭折的姐姐(七八岁时夭折)在一次清明上坟后附体其奶奶,索要吃喝衣物等,听了令人不寒而栗,这民间的鬼故事也印证了人的灵魂的存在。
圣人云:信神如神在,网络有云:脑洞不够,平行宇宙、遇事不决,量子力学。人类的认知能力在浩瀚的宇宙中几可以忽略,我们怎敢不承认我们未知的世界呢?
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打脸不决量子力学这本书如何?
打脸不决,量子力学这本书是关于理科一本理科生学的书。这本书就比较嗯,权威。嗯,也有很多人在学习这本书呢,可以给你一些什么方法建议什么的,你都可以学到。所以总的来说,这本书还挺好的。
遇事不决量子力学梗完整版版?
这句话就是完整版。意思是但凡遇到搞不懂的事,就往量子力学上扯。不仅容易蒙混过关,而且显得逼格高。