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为什么量子力学的“叠加态”概念非常可怕呢?
前面文章中我讲解了量子力学的一个概念:叠加态。
也就是说一旦进入了微观世界,微观粒子的运动情况和我们宏观物体完全不一样,宏观物体在某一个时刻都永远只处于一个位置并且只拥有一个速度,但是微观粒子却是在某个局部范围内处于叠加态。
但是叠加态本身是否是一种科学的论述方式呢?为啥这个叠加态概念很可怕呢?今天我们来谈谈这个问题。
首先宏观世界有没有叠加态?其实还是有的,只不过宏观物体的叠加态非常的微弱,微弱的让我们可以直接忽略掉而已。
因为前面我专门写了一篇文章介绍“海森堡测不准原理”,宏观世界的物体波动性之所以不明显,就是因为质量的原因导致。
如果你没看这篇文章,建议可以先去看看。
很多网友对叠加态有误解,比如当我描述一个微观粒子在某时刻所处的位置时,用量子力学的语言来表达就是:微观粒子此时处于A的概率是30%,处于B的概率是50%,处于C的概率是20%,也就是微观粒子同时处于A、B、C的叠加态。
但是大部分网友会这样解释:因为微观粒子运动速度太快了,所以导致我们看起来微观粒子好像同时处于多个位置,如果我们的观察技术提升,那么还是可以看到微观粒子在某一个时刻其实只处于一个位置。
以上的网友解释应该说非常符合我们的常规和直觉对不对?可惜这个解释是错的,因为我们目前的观察技术而言,微观粒子的运动速度再快能快过光速吗?现在的科技发展测量高速粒子的运动速度技术已经非常成熟了,所以你首先要明白一个事实:微观粒子要用叠加态来描述,不是因为微观粒子的运动速度太快导致的。
其次你要明白一点,假设此时有一个电子,我们计算出来电子处于A位置的概率是20%,B位置的概率是80%,那么电子就同时处于A、B位置的叠加态对不对。此时再举一个类似的例子,假设宏观世界里面抛硬币,我往上一扔然后仍由硬币落地,但是我并不去看落地的结果,那么此时我们知道,硬币是正面的概率是50%,硬币的反面概率也是50%,那么请问:此时我们可以说硬币处于正面和反面的叠加态不?
大家可以好好思考这个问题,其实对于扔硬币来说,我们虽然知道概率是各占50%,但是我们未观察结果前,我们不能说硬币处于叠加态。
但是面对一个电子,我们未观察前,我们却可以说电子的确是处于A和B的叠加态。
大家明白这两者的差别没?
没错,电子处于微观世界,当你把一个电子控制在某个局部范围内(比如A和B位置),那么此时你不去观察时,电子的确是同时处于A和B两个位置的,只不过A和B两个位置分到的概率值不同而已。
但是如果你再宏观世界去抛硬币,当硬币落地后,你如果不去观察硬币,那么硬币绝对不是同时处于正面和反面的叠加态,硬币肯定是只处于某一个状态且概率是100%,另一个状态概率是0%。
所以理解叠加态的关键就在于:观察。
没错!当你未观察前,你可以说电子同时处于A和B叠加,但是不能说硬币同时处于正面和反面的叠加。
而且最关键的问题在于,当你未观察前,电子的状态是不确定的,但是硬币正反面结果却是确定的。
当你观察的一瞬间,电子的状态才确定,但是硬币的状态却是你观察前就确定了。
当你再次不观察后,电子的状态再次不确定,硬币的状态依然是早就确定了。
所以微观世界和宏观世界的差别就是:
微观世界:观察前电子状态不确定,观察一瞬间电子状态确定,观察后电子状态再次不确定。
宏观世界:观察前物体状态确定,观察一瞬间物体状态确定,观察后物体状态依然确定。
而且还有一个重点是:微观世界的物体,为啥观察的一瞬间状态就确定了,因为正是你的观察导致微观粒子的状态被确定下来。
你的观察不仅仅是“发现”微观粒子的状态,你的观察还“创造”了微观粒子的状态。
你对微观世界的观察不仅仅是“发现”,你的观察行为和看到的结果产生了因果关系。
当你理解到这一层,你才算真正理解微观粒子的叠加态,到底是要表达啥意思。
量子叠加态是什么意思
量子力学作为一门基础而又神秘的学科,在近些年来备受研究人员们的关注。
量子叠加态即是在宏观世界看来毫无意义,但在微观世界能够发挥出奇妙作用的量子状态。
下面,我们将从多个角度来探究这一领域的知识。
量子叠加态是什么意思理论层面的分析量子力学理论指出,微观粒子的系统存在多种可能性的状态。
这些可能性的状态,即被定义为叠加态。
例如,在量子力学中,粒子可以被描述为在两种不同的位置同时存在,这两种位置是以概率的形式相互作用的。
这种叠加状态在某种程度上是一种概率性描述,即任何一个粒子在量子态中都存在某种程度的随机性。
归纳相关实验成果1935年,维尔纳海森堡提出了著名的测不准原理。
基于这个原理,研究人员们在实验中得出了一个结果:粒子的位置和动量不能同时准确地确定。
在给定的瞬间,在一个确定的区域内,得到的粒子位置信息越精确,相对应地,对粒子动量的不确定度就越大,反之亦然。
科学家们得到了一个惊人的结果,即当被观测的粒子处于叠加态,例如同时“存在于两个不同位置上”,此时对于它的位置或状态信息的测量,就会使其崩溃成为一种特定状态。
应用层面的研究在量子领域中,叠加态除了神秘的理论分析外,该如何应用于我们具体的生活中呢?目前,一些专家正在研究如何将叠加态技术应用于信息处理领域,例如压缩、存储和传输。
以量子计算为例,其在处理复杂数据时拥有传统计算机毫不可比的优势,这正是由于量子叠加和纠缠态的特性。
量子力学态叠加的两个基本观点是?
量子力学中的态叠加原理包含两个基本观点:1. **态的线性叠加**:量子系统的可能态,如ψ1和ψ2,可以通过线性组合形成新的态,即ψ=c1ψ1+c2ψ2,其中c1和c2是复数系数。
这种线性叠加可以无限扩展,允许体系存在于由这些基本态线性组合而成的任意态中。
2. **叠加态的非空性**:在量子态的叠加中,尽管可以有无限多个态的组合,但实际观测到的量子态是非空的或者准空的状态。
这意味着在单量子体系的叠加态中,并非所有成分都是实际存在的,只有一个成分是非空的。
这与经典波的叠加有本质的不同,在经典物理学中,波的叠加会导致所有成分的实在性增加。
态叠加原理不仅揭示了量子系统的线性本质,而且为量子力学的表象理论奠定了基础。
此外,量子态的叠加性与经典波的叠加性在形式上相似,但在物理实质上完全不同。
量子态的叠加系数具有明确的物理意义,而经典波的叠加遵循平行四边形法则。
量子态叠加是同一体系不同运动状态的叠加,不同于数学上的函数展开,后者要求基函数完备,而量子态叠加不需要。
最后,量子态的叠加能够解释微观粒子的干涉现象,这是由微观粒子的波粒二象性所引起的。
这种叠加效应不仅体现了量子世界的非直观特性,而且也是量子力学实验验证的重要特征之一。
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