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牛顿力学为何会在微观层面失效,其中包含这个简单的原因

科普小知识2021-11-09 08:34:09
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"*粒子的运动状态是什么?"这个问题的答案在牛顿力学中可以表述为“要么静止不动,要么匀速直线运动”,这是牛顿的第一定律。然而,既然它是一个*粒子,为什么它应该停在空间的某个点上(它看起来并不那么*),为什么它应该在某个方向上匀速运动(它似乎*在某个方向上运动,即不那么*)。*的含义似乎意味着一个人应该能够在任何状态下向任何方向移动。牛顿力学的基础似乎有一些问题。让我们分别讨论和比较经典物理和量子力学对*粒子运动的解释。回顾一下我们祖先的一段话是如何描述物体的不确定性的。

牛顿力学中*粒子的状态

牛顿力学描述的是某一时刻的运动状态,它是基于粒子在前一时刻的运动状态。如果粒子在某个先前的时刻是静止的或者是匀速直线运动的,那么对于一个“*”的粒子来说,这种运动状态将会保持下去。换句话说,因为它是一个“*”的粒子,所以没有力量去改变它的原始运动状态,因此它将继续保持静止或在一条统一的直线上运动。换句话说,粒子将在空间的哪个点移动,它将向哪个方向移动,以及它将以什么速度移动,完全取决于在此之前粒子的状态(以及它的应力)。

事实上,我们在日常生活中并没有遇到*粒子,而且大多数情况下总合力为零,因为没有不受力影响的宏观粒子。牛顿力学似乎并没有应用于完全*的粒子,而只是应用于零净力。然而,至少在牛顿力学中,*粒子的运动状态没有被描述为:粒子在空间任何位置的概率是相同的(这是量子力学的描述)。

量子力学中*粒子的状态

在量子力学中,对*粒子状态的描述是:“对于*粒子来说,在空间的任何一点找到粒子的概率都是一样的”,因为它是*粒子,所以它确实有理由出现在任何地方,出现在任何地方的机会也是一样的。在量子力学中,*粒子没有理由停在空间的某个点上(这不是*的),也没有理由在某个方向上匀速运动(这种运动状态是受迫的)。它可以完全出现在空间的任何一点。然而,值得特别注意的是,一旦粒子被捕获,它就显示出一个具有一定质量、电荷和自旋的完整粒子。

这样,量子力学的描述就能更好地反映*粒子中“*”一词的含义。也可以说,量子力学的哲学基础比牛顿力学更先进(这里只讨论经典力学和量子力学的哲学基础之一)。理解“在空间的任何一点找到*粒子的概率是相同的”对于理解量子力学是极其重要的,在逻辑理解上没有困难。

中国古代思想部分实现了量子力学的基础

在古代中国,有一种说法是“珠子在圆盘上移动,灵活*,没有确定的方法”来移动物体,也就是说,试图解释在圆盘上滚动珍珠“没有确定的方法”是违背牛顿第一定律的“形式”(也就是说,它是违背匀速直线运动)。因此,这种说法似乎表明,我们的祖先长期以来一直部分(甚至部分)意识到量子力学的基础,即*粒子的运动应该是“真实和无限的”。遗憾的是,没有后来的人来总结,数学和物理解释这个想法。没有数学化的想法在物理学中是无用的,因为没有数学化就不会有进一步的数学推导,也不会有新的结果和推论。中国历史上应该有许多类似的事情。我们的祖先能够多次进行非常抽象的哲学思考,但他们通常缺乏做出具体推论的能力(数学能力)。作者认为只有基于数学的演绎才是最强大和完整的。

有趣的例子:让你更好地理解经典力学和量子力学之间的区别

在一次晚宴上,我不知道为什么要谈论量子力学的基本问题。“如果没有任何限制(当然是身体上的限制,而不是道德上的限制),你会怎么做?一个朋友说,“那我就可以随意在空中漂浮了!“哇,这位朋友的直觉相当正确!这与量子力学中*粒子的运动图像(大致)一致。另一个朋友说,“然后我会回去睡觉或者乘高速火车回家看望我的父母。”“哦,我的上帝!“这个答案也很奇妙,它正好符合经典力学中*粒子的运动图像,也就是说,*经典粒子不是在某一点上运动(睡在床上),就是在一条均匀的直线上运动(在高速铁路上)。总之,前一个朋友的回答确实很合理,而后一个朋友的回答只是作者的一个玩笑(在经典案例中是合理的)。

经过以上讨论,最后,为什么概率的表达更合理?因为*粒子确实以相等的概率出现在空间的任何一点。简而言之,与经典物理学相比,量子力学的描述能更好地反映*粒子中“*”一词的含义。