在二十世纪之前,牛顿的三大定律和他的万有引力,构成了了解世界的经典物理学。
拿着这些定理可解释宏观世界的很多东西,比如日月星辰的形成和发展,江河湖海的流动,甚至家里的柴米油盐也可以解释。
所以在二十世纪之前,人们认为世界的真理是可以用经典物理学体系来驾驭。
结果进入到二十世纪之后,变了,人们认识到了微观世界,粒子、原子、原子核、质子。
这些小小的家伙,不仅肉眼直接看不到,最麻烦的是,无往不利的经典物理学也解释不了,这些小家伙表现出来的现象。
科学总是在探索未知的过程中,不断发展,不断完善的,于是人们开始对这些微观世界的小家伙进行解读。
而解读的开始,是来源于一次假说。
研究微观物理学体系的假说。![](http://image.uc.cn/s/wemedia/s/upload/2024/5e6211055587f86785420abc4ecff71e.gif)
在1900年的时候,普朗克研究黑体辐射。
在这里说明一下什么叫黑体辐射?
任何物体都具备不断对外辐射电磁波,不断吸收电磁波,不断反射电磁波的性质。
当然物体在吸收电磁波的时候,是不会将全部照射的电磁波吸收,选择性的将一部分电磁波给反射回去。
而黑体是可以做到,将所有照射过来的电磁波,全部进行吸收。
(注:黑体也可以对外进行辐射,但不可以反射,甚至是透射。)
所以黑体在现实中是不存在的,想要研究的话,就只能通过一些非常类似黑体的物质发射出来的辐射进行研究。
而观察黑体辐射的最重要特征就是温度。
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这就像是人站在太阳底下晒太阳一样的道理,晒的久了吸收的太阳光多了,身体的温度提高。(注:太阳光也是一种电磁波)
这是一种光和物质的交互作用。
普朗克在一遍遍的研究黑体辐射的过程中,为了方便研究,就提出了一种假设,能量的传输其实是不连续的,而是一份一份的。
这就像是一条光线,它并不是一条直线,而是由一条条的线段组成,对外传播的时候,这些线段的间隔非常非常小,肉眼看不到而已,以为是一条直线。
普朗克将这一份份的能量,起了一个名字——量子。
量子由此产生。
这个假说虽然很好的解释了,普朗克在观察黑体辐射过程中出现的很多现象,但这个假说却撼动了经典物理学。
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在宏观中科学家们一直认为,能量的传输是连续不断的,从一个点到另一个点,没有所谓的最小单位,就是一条能量线在传输。
所以普朗克的这个假说被提出来之后,就被认为是对经典物理学的叛逆。
普朗克当然要表示反对了,但反对就要拿出相应的证据,最好是能观察到能量的这种不连续性的传播。
虽然普朗克是首先提出者,但他对于能量的不连续的观察研究一直就没有什么进展。
这件事到了1905年的时候,爱因斯坦出现了,他在研究光的传播,就是利用了普朗克的研究。
当然这种使用,不是说拿过来用,而不做任何的佐证。
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爱因斯坦同样没有在现实中找到这种证据,但他通过数学分析的方法证明了,光就是分为一段一段的,而且还给这些一段段的光起了名字叫光量子。
说道这里,就得解释一下数学。
很多人理解的数学是计算,是几何的证明。其实数学是一个工具,它是所有学科的解读工具。
比如研究一份特殊的材料,可以通过两种方法来对制作这种材料,一种是不断的利用化学的方法,一项一项的实验,实验温度,实验添加其他材料的数量,实验融合的时间等等,对各种条件进行各种不同的组合实验。
听这个过程,就知道,这就相当于撞大运,撞住了就成功了,撞不住就得一直撞下去。
想要走捷径,就得需要在实验其他材料的时候,不断的积累,丰富资料库,比如一种材料在多长的时间,多高的温度,展现出来什么样的特性等等。
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资料库丰富的足够多的时候,就会大概率降低制作新材料的时间。
但就算是这样,这种研究方法依然可以说是遥遥无期,因为一份材料什么时间点加入,哪怕前后差一秒,表现出来的特性都不一样。
为什么说材料学是天坑?想要研究出一份新材料很难,而想要研究出一份符合要求的材料更难。
第二种方法怎么研究材料呢?
通过数学来研究,建立模型,什么拓扑学、筛法等等,组合出一件工具,尝试研究材料的结果,推断中间出现的问题。
以图形,以数据,或者以图形和数据相结合的结果出现。
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当然这种方法并不能真正的解决问题,它是为第一种方法指明一条道路。
就像对着研究者说:“看到了吗?它就你的前边,大胆的往前冲。加油!加油!”
虽然冲过去的一片区域依然是一片黑暗,但至少在三百六十度的方向上,好歹抓到了一个方向。
能把时间大大的压缩。
为什么说数学是自然科学之王呢?原因就在这里。
枯燥的纯理论数学,就是工具中的工具。
从光量子接着说。![](http://image.uc.cn/s/wemedia/s/upload/2024/409ea1f0def1e0c17cd17086d6e99129.jpg)
所以光量子是否存在在当时没有依据,只是通过数学的方式进行了证明,确实有。
光量子出现之前,人们好不容易的接受了光是一种波,现在又要接受光量子。
在接受的过程中,就有了光的波动说和微粒说的争论,最终两个理论的争论以光具备波粒二象性的结果,走出了争论。
所以科学前沿的事,基本上一方拿着一种理论,另一方拿着另一种理论,双方不断地攻击对方无法解释的现象,然后用自己的理论去解释。
攻击来,攻击去,最终一个完美的理论就诞生。
那么光具有波粒二象性这个结论出来之后,人们发现能量和光不但具有量子的性质,其实在微观世界中的微观粒子也具备量子的性质。
最终量子力学诞生了。
(注:普朗克最终得到了1918年的诺贝尔物理学奖)
什么是量子力学![](http://image.uc.cn/s/wemedia/s/upload/2024/d30898ce804f03d93fbf6f0eb4a4bc7d.jpg)
说到量子,都能把它有模有样的解释出来。
但说到量子力学,很多人都懵了,越解释越糊涂,越听越不明白。
比如那只很著名的薛定谔的猫。
把一只猫放在一个不透明的盒子里,盒子连接一个含有放射性原子核和有毒气体的实验装置。
原子衰变,毒气瓶打破,盒子里的猫会死,反之猫就会活着。
现在问题来了,打开盖子之前,猫是死的还是活的?
一般人的回答应该是,打开盖子看看,不就知道了?
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但科学家说:“这不对,他问的是打开盖子之前的猫是死的还是活的?打开盖子之后,那是另外一个问题。”
问题回来了,那么到底是活的还是死的。
科学家们挠头,然后给出一个回答,你猜啊!
于是就出现了一只存在于盒子里既生又死的猫。
不禁要问了,这和量子力学有关系吗?
量子力学有一个特征就是不确定性。
盒子外面可以看做是宏观世界,答案往往只有一个结果,用经典物理学就能解释的了,很明确,而盒子里是微观世界,只有一个结果吗?不!是叠加结果,就像盒子里的猫一样即是活着也是死亡。
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很绕是不是?
再换一个类似的例子,两个例子对比,或许会能搞明白一些。
在量子力学中有一个主流的的理论,叫退相干理论。
很绕口的一个名字,最重要的是看不明白。
它是这么理解的,说世界只有一个,但历史却又很多个。
这些个很多的历史,被分为粗粒历史和精细历史。
其中粗粒历史可以看做经典历史,只在宏观上现象,可以看到,可以摸到一个王朝的毁灭,一个文明的崛起,清清楚楚,结果只有一个。
而精细历史是微观历史,量子历史,一个王朝是否毁灭,这是概率,具有不缺性,所以就有了多历史的平行宇宙。
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而人类只能观察到粗粒历史,想要感知精细历史,但只能感知一种,一旦感知接触了,其余的历史就会永久的消失,这就是量子相退干。
猫是叠加的,历史是叠加的,没有打开看之前的微观世界是叠加的。
那么这些东西和量子有什么关系呢?
量子力学对于人类来说,是一个巨大的黑暗区,了解的仅仅是火把照射的范围。
对于量子学中的一些现象,人类就像是在盲人摸象一样,一会摸出一条尾巴,一会摸出一条腿,一会摸出一个鼻子。
那么量子力学到底是什么?
蛇?墙?柱子?
是,也不是。
所以现在对于量子力学来说,人类了解的各种理论,都是有缺陷的,没办法把这件事说清楚。
回归到上文提到的量子力学解释微观世界的说法中。![](http://image.uc.cn/s/wemedia/s/upload/2024/a0fd866c9db1a48ae48d02457a1e7623.jpg)
量子力学是描述电子、质子、中子的,那么用量子力学去找寻它们的位置可以吗?
结合薛定谔的猫,以及量子退相干理论来解释。
答案是不可以。
确切的位置是不能确定的,但可以确定这些微观粒子出现的大概几个位置,针对这几个位置进行严密监控,就能找到要找的微观粒子了。
怎么判断这几个位置呢?
这就需要利用波函数进行测量了。
在微观世界中,还有一个非常奇特的现象,不可拷贝,但可以传输。
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利用这个原理,可以做这么一件事。
将一个微小物体的所有信息复刻到一堆材料当中,然后将这堆材料从这个微小物体这里出发,接着在另一个地方将这些复刻的材料接受,并组合起来。
这个时候,就出现了一个有趣的事,因为微观世界具有不可复刻性,原来的微小物体就会被彻底破坏掉。
那么给人的一种外在表现就是,微小物体从原来的位置消失,出现在了接受位置。
想象一下科幻电影里的传输机,人从一个地方传输到另一个地方。
试问,传输过去的人,还是原来的人吗?