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生活中处处都是量子力学?量子理论的前世今生

12-27 每日推荐

20世纪物理学的 发展主要分为三大方向,除了爱因斯坦相对论,规范场论,另外一个就是量子力学。随着世界范围内量子力学的蓬勃发展,中国在量子力学领域同样取得了令世界瞩目的科研成果,例如,由中科大教授潘建伟领衔的量子通信应用和量子计算机的发展。

但是除了量子通信之外,社会上出现了许多“量子可穿戴产品”,“量子学习设备”,比如:量子内衣、量子能量吊坠、量子鞋垫、量子波动速读等等;厂家宣传这些产品具有极高的保健功效,甚至打出了穿戴这些量子产品可以起到延年益寿的功效,其实这些产品基本上都只是蹭了量子的热点,也基本上都是欺骗消费者的套路而已。那么量子到底是什么,这些量子产品真的这么靠谱吗?

在19世纪的最后一天,物理学界为了迎接新世纪的到来,著名科学家开尔文公爵做了一次公开的学术演讲,在这次演讲中他表示物理学的大厦已经基本建成,只需要要完成一些修修补补的工作就行了。

这里开尔文提出的物理学大厦其实是包含牛顿的经典力学以及麦克斯韦经典电磁学,这里统称为经典物理学;他认为有了这两者所有的物理问题可以迎刃而解。

但是开尔文又面露难色,提出了经典物理学上空的两朵乌云,一朵是以太,另外一朵就是黑体辐射。许多物理学家为解开这两个谜团付出了巨大的精力,其中爱因斯坦就排除了以太的思想,从而为相对论的形成迈出了重要的一步,而德国物理学家普朗克通过黑体辐射的紫光灾难引出了另一个重要的概念-量子。

黑体是指一种只可以吸收和辐射电磁波,不能反射电磁波的物质,太阳就可以看作是一个黑体。而由黑体辐射出的电磁波的波长分布随着黑体温度的变化而不同,从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符,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”。

而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,普朗克大胆假定发射出的电磁波能量并不是连续的,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,这个基本单位能量叫做能量量子。

这一大胆的假定是极具胆量的,因为它推翻了经典物理学理论,以至于普朗克自己都对此持怀疑态度,甚至出现了反感情绪。万事万物,给人们的直觉都是连续的,比如,举一个简单的数学问题,在A、B两点之间,如果想最短距离从A到达B,那么就必须通过A、B之间的所有点,而不能直接从A到B点。以至于普朗克在发表了这个理论后自己也十分怀疑这个理论的正确性。

1905年,之前籍籍无名的爱因斯坦发表了一篇论文来描述光电效应,爱因斯坦大胆地引用了普朗克的能量量子思想,认为电磁波本身就是能量量子组成的,称之为光量子(后面统一简称为光子),爱因斯坦正是因为这篇论文获得了迟到的诺贝尔奖。

量子论自起源以来,其物理含义就在逐步的发展过程中,从刚开始的量子代表离散的数学思想加上组成物质核能量最小的单位的结合体,到现如今“量子”代表着量子世界中物质客体的总称,它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子,它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

量子力学作为一个物理学中重要的理论分支,区别牛牛于经典力学。整个20世纪10-20年代,以玻尔为首的哥本哈根学派引领者量子力学的发展。主要有玻尔提出了互补性原理以及海森堡提出了不确定性原理等核心理论。

不用专门去看这些核心理论的具体内容,这些理论中描述了量子世界中与众不同的性质,其中最核心的思想就是量子纠缠和量子叠加以及量子坍缩。

我们知道,光子有偏振量、角动量等特征,而量子纠缠,其实就是两个成对的光子如果知道其中一个光子的偏振量,那么另外一个光子的偏振量我们会立刻知道,无论它们之间的距离是多少;而量子叠加就是我们在没有测量光子的偏振量时,无法知道其真实的偏振量。

我们来举个例子,假如有一对兔子,在现实生活中,对于单只兔子来说,兔子的性别是确定的,不是公的就是母的。而在量子世界里,兔子既是公的也是母的,也就是说兔子的性别是叠加的,这就叫量子的叠加态,也叫量子叠加。在这里同样可以参考薛定谔的猫这个思想实验。

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。还是兔子的例子,如果我们知道量子兔子中一只兔子的性别是公的,那么我们就知道另外一只兔子是母的。

量子坍缩就是量子在未被测量之前,我们完全无法预测物体真正的状态,这是一种真真正正的随机性;一旦启动了测量,物体就会“塌缩”成一种可能状态,仿佛它一直就是那种状态一样。如果你想得到其他的可能状态,你需要复制粘贴一大堆相同的物体,并对每一个分别测量,并通过统计得出这几种可能状态的概率。

量子通信是运用量子力学这个最前沿的技术。因为了解量子以及量子力学的人实在很少,这也导致了量子通信诞生以来就出现了很多的非议。其实,量子通信并不是使用量子来进行通信,而是使用量子力学中的量子纠缠特性来对传统的电磁波通信进行加密。

光子既有波动性也有粒子性,此时用来加密用的光子的偏振方向就可以代表0与1,量子通信可分为两个信道,一个是经典通信信道 ,一个是量子信道。在通信双方进行通信时,就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。

量子通信最大的优点就是其无法被破译,为什么量子通信不会被破译,因为每次发送一个光子量子通信卫星就会发现光子被拦截者拦截,也不能够复制光子,因为光子在观测时会立刻坍缩。

我们知道,传统的电子计算机是利用电平的高低来代表数据,比如,高电平代表数据1,低电平代表数据0,0和1就可以组成计算机的语言,一个1占据的内存大小就叫做1个比特,也叫作1位。在一个计算机芯片中集成了上万个半导体晶体管,这些晶体管构成了逻辑门,这些逻辑门对这些0和1进行处理。

而量子计算机中同样具有量子比特,这些量子比特具有量子叠加性,就是说每个量子比特的0和1都有可能。例如,传统的比特在表示16种可能的组合时,我需要一一列举出这16种组合存在内存中,而量子比特则只需要一种组合即可。这样的性质可以使计算机的计算速度呈现出指数级增长。

不仅仅如此,量子比特同样具有量子纠缠性,紧密的联系使得一个量子比特发生变化会立刻反应在另一个相关的量子比特上,无论多远。这意味着我们只需要通过观测知道其中的一个状态,另一个的状态也就不言而喻了。

可以看到,那些真正的量子技术应用研究都是困难重重,几十年都未形成商业应用。全世界的科学家们都在为之努力;而那些宣传利用量子黑科技的产品可以强身健体,治病救人,全部都是虚假宣传。其实这其中只是一些小小的科学原理蒙骗了人们的眼睛,就算我们不知道高深的量子力学,但是我们如果擦亮自己的双眼,就可以轻松分辨出其中的猫腻。

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