【科学】揭示量子世界的奥秘：粒子的模糊性与纠缠现象
- 1. 量子世界的奇异之处2. 原子的历史演变3. 经典力学的局限4. 辐射与能量损失5. 能量量子化的提出6. 波尔模型的不足7. 德布罗意的波动概念8. 微观粒子的本质9. 量子场论中的电子10. 超距作用与传播子11. 传播子的作用12. 微观粒子的模型问题13. 粒子之间的无界限14. 电子云的概念15. 概率与原子半径16. 波尔模型与薛定谔模型的区别17. 测量的干扰18. 困难的观察19. 理解量子纠缠20. 双缝干涉实验的理解21. 总结
1. 量子世界的奇异之处
为什么在量子世界中一个粒子可以同时处于多个位置？如果用宏观案例比喻，就好比你此时此刻既在北京又在上海，这听起来的确很扯淡，但却是量子世界的普遍规律。我们熟悉的薛定谔的猫、量子纠缠的本质，都源于量子力学这种奇特的性质。看完本文，你将彻底搞清楚为什么量子世界会如此诡异。2. 原子的历史演变
这一切都得从原子讲起。在20世纪之前，物理学家认为原子就是一种不可分割的小球。到了1909年，卢瑟福的散射实验打破了这种认知，物理学家发现原子内部还有一个巨大的核心，这便是原子核。原子的结构是一群电子绕着原子核运动，形成了一种行星模型，这种模型也叫卢瑟福原子模型。
3. 经典力学的局限
原则上，卢瑟福原子模型最符合常识。在经典力学中，物理学家认为电子绕原子核运动的向心力是电磁力提供的。原子核带正电，电子带负电，所以它们之间存在库伦力。这种关系与牛顿的万有引力公式在形式上是一样的，电子的运动被认为与行星绕恒星运动类似，但很快，物理学家发现了一个问题。
4. 辐射与能量损失
根据经典的麦克斯韦电子理论，电子围绕原子核运动是一种变速运动，电子在运动中会辐射电磁波，而电磁波是能量的表现。因此，电子会不断损失能量，最终坠落到原子核上。根据理论，坠落过程中辐射的电磁波波长不断向紫外线方向移动，这与我们观察到的事实不符。所以，电子围绕原子核的行星模型显然是错误的。
5. 能量量子化的提出
早在1900年，普朗克提出了能量量子化的概念。他认为能量辐射的形式并不是连续的，而是离散的，物体辐射的能量与频率之间并非成正比。布尔利用普朗克的概念，并结合卢瑟福的原子模型，提出了能级跃迁模型。玻尔发现，能量量子化的轨道只在一定条件下才能解释原子的行为。
6. 波尔模型的不足
波尔的能级跃迁模型只部分解决了电子辐射能量的问题，仍然存在漏洞。最经典的问题之一是，处于定态中的电子为何不会辐射电磁波，这与客观现实相悖，因此波尔的模型只能算是半经典、半量子化的原子理论。
7. 德布罗意的波动概念
直到德布罗意提出物质波的概念，才有效解决了波尔模型的问题。德布罗意认为，电子也是一种波。因此，电子在核外的运动并非严格的圆周运动，而是以波动形式进行的。
8. 微观粒子的本质
事实上，电子并不止是一种小球形粒子，电子没有明确的形状、边界，甚至没有体积。若要问电子体积有多大，严格来说，宇宙有多大，电子就有多大。这看似不可思议，但却是量子力学的核心共识。
9. 量子场论中的电子
目前，物理学界对电子的最新认知是基于量子场论的。一种基本粒子是量子场的激发。不同的粒子对应不同的量子场，例如电子对应于电子场，光子对应于光子场，夸克对应于夸克场。量子场的范围可以延伸到宇宙的各个角落，因此一个粒子的本质是量子场。
10. 超距作用与传播子
宇宙中的大部分物质由原子构成，最外层的电子带负电。因此，物体之间的斥力本质上源于不同原子核的核外电子之间的电磁力。实际上，核外电子并没有直接接触，而是存在真空区域。因此，电子之间的相互作用似乎就像一种超距作用。
11. 传播子的作用
为了让这种超距作用在逻辑上自洽，我们假设核外电子之间的作用力是通过一种传播子来传递的。这种传播子即是虚光子。在电磁作用发生时，核外电子之间会通过虚光子不断交换以传递这种力。
12. 微观粒子的模型问题
如果将微观粒子认定为实心小球，就会出现问题。已假设粒子为小球，那么传播子与电子之间的力又是如何作用的？这就意味着在真空中，粒子之间很难产生作用，导致粒子无法相互作用。
13. 粒子之间的无界限
因此，微观粒子的特性在逻辑上只能存在一种可能，那就是它们是模糊的，并且在整个空间中交织在一起。量子场并不承认超距作用，这种现象实际上是由物理法则不认可超距作用导致的，因此微观粒子只能以模糊的形态存在。
14. 电子云的概念
由于电子模糊不清，所以它可以出现在原子核外的任意位置，形成所谓的“电子云”。如果原子核外的电子是一团可以铺满整个空间的云，那么一个原子的体积将会变得无限大。然而，实际上我们观测到的原子却十分小。
15. 概率与原子半径
根据波动方程，电子出现在原子核外的不同位置具有不同的概率分布。以氢原子为例，电子与原子核之间的距离存在最大概率，越远离这个位置，其出现的概率会逐渐减小，这个距离被称为原子的半径。
16. 波尔模型与薛定谔模型的区别
在波尔的原子模型中，电子被认为始终处于这个半径轨道上，而在薛定谔模型中，电子只是在这个轨道上出现的概率最高，仍然可能出现在其它位置。理论预测显示，电子云的有效范围比质子云大10万倍。
17. 测量的干扰
要测量电子云的位置，需使用能量大、波长短的光子，但这会导致电子的动量不确定性增加，位置越精准，动量则越不确定。因此，测量的过程本质上是一种干扰。
18. 困难的观察
由于微观粒子是模糊不清的，因此它们不可能定位为实心小球，无法明确其位置。因此，必须用概率来描述微观粒子。
19. 理解量子纠缠
讲到量子纠缠，纠缠粒子实际上是同一个粒子的两个部分，其能量分离为两个纠缠粒子，但它们依然共享同一量子场。因此，两个纠缠粒子间的超光速作用，为同一粒子在不同状态之间的瞬间变动。
20. 双缝干涉实验的理解
应用这种思路理解电子的双缝干涉实验便容易得多。电子之所以能够同时经过双缝，并与自身发生干涉，源于电子的模糊状态允许它同时处于多个位置。
21. 总结
因此，正是由于微观粒子模糊不清且没有明确的空间界限，才会导致量子力学中的粒子能够处于叠加态和量子纠缠等诡异现象。
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