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何為微觀?何為宏觀?微觀與宏觀的分界點(diǎn)在哪?

 了脫人身 2018-01-29

提到量子力學(xué),我想大部分人第一想到的應(yīng)該是微觀世界吧,量子力學(xué)適用于微觀粒子,而不是宏觀物體,這似乎是一個(gè)常識(shí)性的問(wèn)題了,那么微觀和宏觀的分界線在哪里?
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量子力學(xué)適用于微觀粒子,這是大家都公認(rèn)的,否則就根本不會(huì)出現(xiàn)量子力學(xué)這個(gè)學(xué)科了。量子力學(xué)不適用于宏觀物體,其實(shí)這是個(gè)誤解。
之所以許多人覺(jué)得量子力學(xué)不適用于宏觀物體,大概是因?yàn)楹芏嗫破瘴恼陆o人造成了這樣的印象。這些文章大力地強(qiáng)調(diào)量子力學(xué)的種種神奇之處,例如在量子力學(xué)中你可以同時(shí)處于0和1兩個(gè)狀態(tài)(疊加態(tài)),在量子力學(xué)中你撞一堵墻可能穿過(guò)去(隧穿效應(yīng)),在量子力學(xué)中兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的粒子可以超光速地同步變化(量子糾纏),在量子力學(xué)中你不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量(不確定原理),等等等等。這些說(shuō)法都沒(méi)錯(cuò),但問(wèn)題在于,它們強(qiáng)調(diào)這些現(xiàn)象在宏觀世界是不可能出現(xiàn)的,于是給很多讀者造成一個(gè)誤解:微觀世界和宏觀世界之間有一道鴻溝,量子力學(xué)不適用于宏觀世界。
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實(shí)際情況是,宏觀物體也遵循量子力學(xué),牛頓力學(xué)就是量子力學(xué)的自然推論。這些現(xiàn)象之所以在宏觀世界觀察不到,并不是因?yàn)槲⒂^和宏觀之間有個(gè)明確的分界線,而是因?yàn)檫@些現(xiàn)象的顯著程度反比于體系的大小,對(duì)于微觀體系很顯著,對(duì)于宏觀體系就很微弱。量子力學(xué)中最重要的基本常數(shù)叫做普朗克常數(shù),一般寫(xiě)作h,它的量綱跟角動(dòng)量相同(長(zhǎng)度乘以動(dòng)量,或者說(shuō)能量乘以時(shí)間),大小是6.626E-34 J*s。這個(gè)數(shù)值跟一個(gè)電子或者一個(gè)光子的角動(dòng)量在同一量級(jí),但比一個(gè)石子或者一個(gè)臺(tái)球的角動(dòng)量小得太多了。因此,按照同樣的量子力學(xué)原理,電子或光子的量子行為就非常顯著,而石子或臺(tái)球的量子行為就幾乎觀察不到。
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量子力學(xué)中有一條定理,一個(gè)體系的動(dòng)量的期待值隨時(shí)間的變化率等于它受到的力的期待值。如果把一個(gè)物理量的期待值理解為它在牛頓力學(xué)中的值,那么這條定理說(shuō)的就是牛頓第二定律:F = ma。因此,牛頓力學(xué)就是量子力學(xué)的一個(gè)直接推論。凡是支持牛頓力學(xué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,都是支持量子力學(xué)的。牛頓力學(xué)跟量子力學(xué)并不矛盾,只是量子力學(xué)在宏觀情況下的一個(gè)近似而已。這條定理是奧地利和荷蘭物理學(xué)家埃倫費(fèi)斯特(Paul Ehrenfest,1880—1933)證明的。
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最后,我們還可以問(wèn):假如微觀和宏觀之間真的有個(gè)分界線,那么會(huì)怎么樣?這是個(gè)有趣的問(wèn)題,確實(shí)有人在做這樣的實(shí)驗(yàn)。不過(guò)由于難度很高,目前還沒(méi)有得到特別的結(jié)果。

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