从经典走向量子(经典和量子的界限)

如果你是一名理科生,你无法拒绝物理的魅力,更无法拒绝对于浩瀚的宏观宇宙以及精密的微观世界探索有着无尽的兴趣。提到宏微观世界,就不得不提相对论和量子力学,它们就像两颗璀璨的明珠,主导着宏观和微观世界的物理规律。

作为一名物理爱好者,无法避开量子力学这座高峰,但一直以来,以量子力学为基础的量子科技以一种近乎玄学的状态存在于自然界,因为量子力学研究的是微观世界里的现象和规律,而我们普通人更熟悉日常接触更多的宏观世界里的物体,宏微观世界的沟壑普通人很难逾越,也就只能感慨“遇事不决,量子力学”。

1900年,德国物理学家普朗克首次提出“量子力学”的概念,他在研究黑体辐射☢️时发现如果不假设“电磁波的能量是一份一份的,而不是连续变化的,就无法解释黑体辐射☢️所得到的实验数据”,量子力学发轫于此,但这也只是他的假设,可以说是一种出于无奈的假设。1925年矩阵力学和波动力学的诞生才标志值量子力学初步形成。

历史上很多伟大的发现都来自于偶然,而这份偶然却来自于千万次的验证和实验,正如人生一样,所谓偶然的成功,不过是千万次积累和努力后的必然。

1921年,爱因斯坦因发现光电效应定律而获得诺贝尔物理学家。对,你没听错,爱因斯坦是因为量子力学而获得诺贝尔奖,而并非我们熟知的因为相对论而获奖。光电效应是指光照射金属表面时溢出电子的现象,是量子力学的发展奠定关键基础,光量子假说就像一把钥匙,开启了量子力学的大门。

这里还有一个有趣的小故事,同为量子力学领域大佬,两位划时代的物理学家还有一段别样的互动。1905年,当时还是三级技术员的26岁爱因斯坦在《物理学年鉴》上发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》提出了一个颠覆性假说:光的能量在空间中并非连续分布,而是由不可再分、局限在空间各点的“光量子”组成。这一观点直接挑战了统治物理学百年的麦克斯韦电磁理论,动摇了光作为连续波动的根基,而普朗克在这场批判爱因斯坦运动中也批评他“走得太远”,成为了爱因斯坦最坚决的反对者。

当你所在的领域最权威人士站在了你的对立面,你是否还有勇气坚持自己的观点?

在当时的物理界,爱因斯坦基本是众矢之的。1915年,斥巨资构建实验室、购买设备要证明爱因斯坦是错误的科学家密立根却意外证明了爱因斯坦的正确性,实验数据对这场科学界的争论给出了最终裁判,而在这场裁判中,获胜的不仅是爱因斯坦本人,更是整个物理界的荣幸,也是因为这个意外的实验结果,让量子力学从质疑逐渐走向了共识。

量子,并不是特指某一种物质,它是最小单元的一个统称,不同物质的最小单元其实是不同的,比如光子是光的最小单元,它就是光的量子,锂原子是里的最小单元,它就是锂的量子。所以我们在理解量子的时候,一定是基于某种特定的物质,而不能泛泛理解量子是一种特定物质。

站在量子力学诞生百年的今天,量子科技在“玄学”之外有多了几分现实黑科技的色彩。从普朗克的量子假说,到伯恩、海森堡等的矩阵力学,再到薛定谔的猫,量子力学的发展可以说是从争论-质疑-共识逐步被推动的,未来它也将会像所有科学一样,一点一滴走进寻常百姓家。

2025年,被联合国定位为“量子科学与技术之年”,但量子科技的发展才刚刚开始,科学家们用百年时间在数学上证明了量子力学是完整的,但在其他层面,还需要后来人不懈努力。

借用爱因斯坦的一句话结束今天的话题:量子力学可能是一个正确的统计定律理论,但总的来说,它是对个别基本过程的不足理解。

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