為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性,是因為智商不夠嗎?

問題描述:为什么我怎么也理解不了波粒二象性,是因为智商不够吗?
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蔡毅恆:

如果誰不為量子論而感到困惑,那他就是沒有理解量子論——波爾。
沒人能理解量子論——費因曼。


Abcdef:

波粒二象性是實驗觀察到的現象,客觀的存在的,物理學家都不明白為什麼要有波粒二象性以及其深層機制。所以,作為一個物質粒子的特性,接受它就是了。


世相:

1、
時間與空間緊密相關,不可分離。假設弦論關於空間有十一個維度的論述是正確的,蜷縮起來的維度雖然觀察不到,卻擁有能量,如同被上緊的錶鏈,擁有彈性勢能,推動整個宇宙不斷膨脹,即所謂的暗物質就是空間本身。

2、
時間是空間膨脹的表現形式。當實物粒子高速運動時,會吸收空間維度能,造成空間膨脹速率下降,造成尺縮和鍾慢效應。即,我們的宇宙有一個本徵膨脹率,或者說是本徵速度決定了我們的時間流逝速度,尺縮效應是因為我們的膨脹率大過了高速運動中的物體的一種表述,本質上,應該是相對靜止的觀察者變長了,顯得高速運動的尺子縮短了。

3、
光不具有靜態質量,因此引力不能作用於光波,相對論也表明,光在經過大質量物體時的彎曲,是由於大質量物體周圍的空間被引力彎曲了。由此可以推論,光的傳播需要空間作為介質,而引力只能通過作用於空間間接作用於光。黑洞的視界之內,並不是因為引力之大導致光無法逃逸,而是因為黑洞視界之內的空間消失了。光沒有了可以傳播的介質,通過對黑洞數據的研究,可以獲得真空維度能的相關資訊,比如按彈性勢能相類比,視界處的空間不存在膨脹,因此也不存在時間的流逝。此理論的第一個可以驗證的猜想是,如果黑洞無物質補充,則其在外部觀察者看來,其尺寸必定以某個速率在縮小。

4、
依據空間結構的推論,所謂的物質波,其實質應該是尺度足夠小,質量足夠輕的粒子在高速運動中與空間的相互作用所表現出來的波動性質,如一艘航母不會對微風的水波有反應,而紙折的小船則會隨波抖動,並不是小的物體具有了波動性,而是小的物體更易被環境所影響。反過來說,所謂物質波,就是空間結構的外在表徵,由此可以完美解釋單縫及雙縫衍射試驗中電子的行為。電子並不會知道另外一個縫開了沒有,而是一旦有兩個縫,空間就會發生干涉,而電子會隨著空間的干涉波隨機運動,於是生成了最終的干涉圖像。


Andy:

是時候放出這張圖片了,形象直觀的表達了光的波粒二象性。
圖片及參考文章來源:科學家獲得首幅捕捉到光波粒二象性照片


順寧:

首先波粒二象性指的是微觀粒子在某些情況下表現出波的性質,比如雙縫干涉實驗;在某些情況下又表現出微粒的性質,比如光電效應和康普頓效應。這樣子波粒二象性就好理解多了:首先我們把微觀粒子想像成一種抽象的存在,而非一個經典粒子的形象。(我認為在了解量子力學這方面的知識的時候,理解時最好不要採用形象化的方法,否則理解起來常常會陷入困境。比如在你讀到有關於高維空間的內容時,試問一個人如何在腦海中想像出四維空間的樣子?更別提更高維的空間了。只需要把高維空間理解成一個數學上的概念就好了。那麼這里關於微粒的概念也是一樣,它既不是一個小球也不是一個點也不是其他任何形象化的東西,在你的腦海中把它當成一個物理學上的概念就好了)好了現在我們腦海中已經有一個微觀粒子的概念了,現在我們就要給這個概念貼標簽:它可以表現出波的性質也可以表現出微粒的性質。舉個不太恰當的例子,這就像水在不同的溫度和氣壓等條件下既可以表現出氣體的性質也可以表現出固體的性質一樣。但是如果你問水到底是氣體還是固體?對不起,沒辦法回答。
上面講的比較簡單,不過我的重點是要推薦兩本書:
曹天元的《上帝擲骰子嗎》布萊恩·格林的《宇宙的結構》
這兩本書算是量子力學科普著作裡面我個人認為非常優秀的兩本。而且這兩本書的內容是互補的:曹天元的《上帝擲骰子嗎》從歷史上光的「微粒說」和「波動說」之爭說起,中間詳細論述了波粒二象性,最後講到量子力學和廣義相對論的統一問題,然後末尾簡要介紹了超弦理論。而布萊恩·格林的《宇宙的結構》正好是從超弦理論切入,最後談到了M膜理論。所以這兩本書內容上銜接互補,本身質量也很不錯,可讀性很強。如果只是作為對量子力學感興趣的非專業人士,讀完這兩本書作為入門可以說是足夠了。
P.S.
Aorqu畢竟也只是碎片化的知識,如果真的感興趣的話我還是推薦題主多看看這方面的優秀科普書籍。我相信如果題主看過《上帝擲骰子嗎》,是絕不會再到Aorqu問這種問題的。而且恕我直言,Aorqu量子力學科普問題下的某些高票答案還涉嫌抄襲了這方面的科普書籍呢……
總之要系統地了解某一塊知識,我覺得還是要看書,沒捷徑可走,高票答案幫不了你。
P.P.S.
除了以上兩本書,加來道雄的書感興趣的話也不錯,霍金的《時間簡史》和《果殼中的宇宙》知名度夠高了,我就不提了。


Aorqu用戶:

歪答一個:

假設題主是個男生,有個美麗大方賢惠的女朋友。這位女生,平時的時候小鳥依人可愛溫柔,是個標準的萌妹子。可是,這位女生一個人的時候,也很獨立,上山下鄉,可以背著30kg的裝備登山淌河,去過西藏,爬過雪山,是個堅強獨立的女漢子。

請問,這位女生,到底是萌妹子,還是女漢子呢?

結論是,她就是她,有時候是萌妹子,有時候是女漢子。所以,你用其中之一來描述她,不完整,也不合理。

回來說微觀粒子。很多情況下,(比如高能,經典極限等等),它表現得如一個普通宏觀質點類似;但遇到另一些情況,比如雙縫干涉等等,它會表現得如波一樣。無論是波,還是粒子,都是同一個東西,只是看到了不同的表現而已。


Aorqu用戶:
講真把腦海里的經典物理圖像全換成數學公式,感覺就好多了。同時需要了解一些歷史,站在量子力學創立之初時科學家的角度思考問題。


寶寶王:

不理解很正常,量子力學的難點並不是數理邏輯本身,而是它是一套看似違背經驗常理,又正確的世界觀。

物理每學一步,都要極力擺脫以前知識的影響,不斷地自我否定,自我顛覆。學的知識越多,越紮實,進步就越困難。看起來是悖論,但就是這樣。


白書旭:

反正費曼說他自己也不理解


Aorqu用戶不能理解是因為你嘗試以理解經典物理的直觀原理的方式來理解量子力學。

經典物理就是貼近生活,所有原理都有生活里的現象佐證。比如勻速運動,加速度,光線,等等等等。

量子力學原理就很抽象了。波函數本質是一個關於時間和空間的二元復函數,其模的平方恰好是該時刻粒子在空間內分布的概率密度。就是一個數學模型。難就難在負數沒有直觀對應,你沒有辦法去picture一個復函數。

但是不能以常規直覺去理解不代表不能理解。波函數最大的應用在於用厄米(Hermitian)算符計算期望。本質是對概率密度進行積分。一個算符的期望恰好是該算符的特徵值,至於算符的特徵值概念用線性代數的知識去理解,一個波函數是復函數空間里的一個向量,一個算符是一個線性變換,它作用在一個向量上如果不改變向量的方向只改變向量的模(復函數的模就是和它的共軛乘起來積分),那麼這個向量方向上的所有向量都稱為這個線性變換的特徵向量,變換前後的模的比值是固定的,稱為特徵值。

答主可以試一試用線代的知識去理解。因為我們的腦子覺得不能理解一種解釋,並不是因為它特別理智,知道解釋有紕漏而拒絕,而只是因為它沒有被自己說服去相信罷了。不然就沒有人信神了。你要做的是把它往自己已有的知識上靠,以自己能夠接受的方式先說服自己的大腦去理解它,這個過程可以允許近似,允許不精確。然後當你暫時邁過去這道坎的時候,多應用一下用波函數求解各種問題,有了足夠感性認識之後再回來看看定義,會發現唉,其實沒那麼難。

已從物理系轉走讀計科一年左右了,答主最後的物理學知識就停留在積波函數的分上,所以記憶如有不準確的地方,歡迎指出。


univeagle:

最高票答案中的實驗二是錯的,我在自己的問題里進行了分析,轉貼到這里,大家可以一起探討一下。

作者:univeagle

鏈接:對量子擦除實驗兩個細節的疑惑? – univeagle 的回答 – Aorqu

來源:Aorqu

著作權歸作者所有,轉載請聯系作者獲得授權。

答案在2017年1月23日進行重新編輯。

3月2日進行二次修改,改正了圓偏振和線偏振關系的錯誤表述。

圖都自己消失了,是侵權了嗎?Aorqu內部引用已經註明出處也不可以嗎?

這個答案寫的時候為了說明問題進行了大量引用,使文字變得瑣碎,閱讀體驗很差,有時間整理一下,寫一個系列文章。

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首先吐槽一句,物理基礎知識不夠,要想讀懂物理實驗的結果,不是一般的難啊!

大概半個月之前我讀了@愛小臭 對「為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性,是因為智商不夠嗎?」的回答,其中介紹了三個實驗,第一個是雙縫干射實驗,第二個是量子擦除實驗,第三個是延時擦除實驗。

實驗一是我早就了解的,實驗二和實驗三沒有讀懂。之後查閱了很多關於量子擦除和延時擦除的介紹,實驗三基本弄懂了,可是實驗二始終沒有弄懂,思考過程中在Aorqu提了好幾個關於這個實驗的問題,都沒有人能給出滿意的解答。然後我開始懷疑這個實驗是不是錯了?因為根據實驗的描述很容易可以推斷能夠實現超光速通訊,而超光速通訊已經是被明確否定的東西了。

後來@Sun AO@Ivony 兩位老師回應了我的求助,Ivony老師也認為應該是實驗本身有問題。再後來,我查到了相干光源需要滿足的條件:

1、頻率相同。2、偏振方向相同。3、相位差恆定。

問題迎刃而解!關鍵在於第二條,偏振方向相同,愛小臭的實驗二不滿足這個條件。

下面詳細解讀一下,首先讓我們來看一下正確的量子擦除實驗是怎麼操作的:

(以下內容引自百度百科量子擦除實驗條目)

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實驗分三個階段。

第一階段,使用非線性BBO晶體產生糾纏光子對。自光子對產生起,它們就具有不同偏振態,沿不同方向傳播。沿下路徑傳播的光子會遇到雙縫,使用靈敏的探測器可以掃出這些光子的干涉圖樣。(答主注釋:光路中粉紅色元件是兩個偏振片,一個水準,一個垂直。)

第二階段,在下路徑上插入四分之一波長片。這樣任何通過縫A的光子將會被改變為順時針或逆時針的圓偏振,任何通過縫B的光子具有相反方向的圓偏振。當探測設備在先前的移動範圍內重新掃過,可以發現探測結果不再相同 – 干涉條紋消失 – 即,任何標記了光子路徑的行為都會破壞干涉條紋。

第三階段,下路徑不作變動,將一個起偏器插入到上路徑,使得任何通過下路徑的糾纏光子對的偏振方向也受到影響。因為上路徑的光子的偏振方向發生變化,下路徑光子的偏振狀態也會改變。通過對上路徑上起偏器選擇合適的偏振角,令下路徑上剛好有一半的光子具有相同的偏振方向。一旦它們有相同的偏振態,它們可以再次彼此干涉,或者從另一個角度來看,已經沒有標記指明哪個通過縫A,哪個通過縫B。

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這個介紹起初我也沒有看明白,後來看了百度貼吧里的一個帖子,我才恍然大悟!

(以下內容引自百度貼吧「請教關於量子擦除的一個問題」貼中黑體輻射的回復)

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請教關於量子擦除的一個問題_量子力學吧_百度貼吧
百度百科裡面還需要下面的補充才清楚:
首先探測器是單光子探測器,上下支路都是;由於糾纏光子對是同時產生,所以必須上面和下面同時測到單光子事件,才算一個事件被記錄下來;如果不是同時測到就不算,不做記錄。這點很重要,下面要用到。由於是單光子探測器,它必須在不同的位置測,把不同位置記錄的事件都畫下來,就形成了干涉圖。
現在看百度百科裡的第三步,「通過對上路徑上起偏器選擇合適的偏振角,令下路徑上剛好有一半的光子具有相同的偏振方向。」這句話的意思是,上路徑上起偏器選擇合適的偏振角後,有一半的光子事件沒有被記錄,因為他們沒有通過這個偏振片;有一半的光子被記錄,因為他們通過了這個偏振片。這一半被記錄的光子形成了干涉圖;其實沒被記錄的那一半光子也形成干涉圖,只是這兩個干涉圖疊加在一起的時候,由於波峰波谷相互抵消,就沒有干涉圖了!所以,所謂上支路影響下支路,只是說上支路濾出某些光子,這些光子對應的下支路光子會形成干涉圖,如此而已。

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實驗原理是這樣的,非線性BBO晶體可以使一個高能光子分裂為兩個頻率為原光子1/2的低能光子,這兩個低能光子偏振方向互相垂直,但具體哪個光子走上光路,哪一個光子走下光路是隨機的,這就是為什麼要在每個光路上都設置一個偏振片,目的是讓上光路的光子都是水準偏振,下光路的光子都是垂直偏振,只有這樣才能產生干涉條紋。

第二階段,在下光路雙縫後面插入兩個四分之一波長片,這里百度百科的表述出現了問題,應該是任何通過縫A的光子將會被改變為順時針圓偏振,任何通過縫B的光子將會被改變為逆時針圓偏振,不會有相反的情況,因為由於偏振片的存在所有下光路的光子在通過雙縫之前都是垂直偏振的,現在你該知道為什麼干涉條紋消失了吧?因為通過雙縫後光子的偏振方向不一致了,不能滿足發生干涉的條件,干涉條紋自然就消失了。

第三階段,百度貼吧里的解釋已經很清楚了,但對我們這樣的物理小白可能還是會造成迷惑,下光路的光子都是垂直偏振的,即使濾掉一半還是垂直偏振的,通過雙縫以後偏振態被改變,為什麼又能相同了呢?這里需要指出一個常識,圓偏振可以看做兩個方向線偏振的疊加,所以對於處於不同圓偏振態的兩個單光子有一定概率處於相同的線偏振態。

搞明白了百度百科的實驗,對於愛小臭的實驗理解起來就不那麼困難了,下面我們來看看他的實驗。

(以下內容引自愛小臭老師對「為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性,是因為智商不夠嗎?」問題的回答中的實驗二)

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帶上3D眼鏡後,光子通過眼鏡的偏振性改變了,但是並不會改變試驗結果的干涉條紋:
下面就是真正讓你腦子燒糊的部分啦!
假如我們打開M1:M1測量光子A的偏振性。由於A與B處於糾纏態,他們其實是一個垂直一個水準,當光子B通過一個偏振片之後,偏振性就改變了。這個時候就與糾纏態,A的狀態也會改變,測量A,我們就能知道光子B「到底」是通過了兩個縫中的哪一條。這時候,驚人的結果發生了。只要打開M1,干涉條紋就消失了,擋板上的光子痕跡變成了兩坨。而關閉M1,干涉條紋就又回來了。

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這個實驗沒有畫出完整的光路圖,而且自始至終沒有用到到起偏器,那麼光子B的偏振態是隨機的,忽而水準,忽而垂直,那麼這個實驗裝置能夠得到干涉條紋嗎?答案是:不能!無論插不插入四分之一波長片,都沒有條紋!沒有條紋!沒有條紋!不論打不打開M1,都沒有條紋!沒有條紋!沒有條紋!

看,我們所擔心的超光速問題不會出現,就是這么簡單!

僅僅是因為對形成干涉的基本條件不夠了解,造成了我們對實驗結果的困惑,這個對於專業物理人員根本就是常識性的東西,阻止了我們深入了解量子力學。科普人員認為這是常識,人人都懂,可是我們不懂,這就造成了專業人員和普通人的交流障礙。

再來看實驗三

(以下內容引自愛小臭老師對「為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性,是因為智商不夠嗎?」問題的回答)

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作者:愛小臭
鏈接:為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性,是因為智商不夠嗎? – 愛小臭的回答 – Aorqu
來源:Aorqu
這個試驗來自Kim博士2000年發表的一篇論文:
Phys. Rev. Lett. 84, 1 (2000)
延時量子擦除試驗,它甚至讓我們對「因果關系」產生了懷疑。

上面的圖是試驗台,下面的解釋很重要。一定要搞清試驗台是如何運作的。
1. 一道激光通過雙縫版,打到BBO上,形成了兩對糾纏態的光子;紅色的光路表示光子通過了上面一道縫(縫A),藍色的光路代表光子通過了下面一道縫(縫B)。請注意,光子的波長是完全一樣的!不同的顏色只是為了邏輯的區分它們通過了哪一道縫;
2. D0的角色是上一個試驗中最後觀測擋板的角色,D1~D4是感光元件,圖中的光路,從BBO至D1、D2、D3、D4的距離是完全一樣的。是BBO到D0的兩倍;
3. 如果沒有D1~D4所有的設備,那麼參考上一個試驗,我們沒辦法知道某一個光子是通過紅色光路到達D0、或是通過藍色光路到達D0,光在D0上,形成了干涉的條紋;
4. BSa,BSb,BSc是三面半銀透鏡,它有50%的幾率使得光子透過,50%的記錄使得光子反射。紅色光子的糾纏兄弟,有50%的幾率擊中D4,25%的幾率擊中D1,25%的幾率擊中D2;藍色光子的糾纏兄弟,有50%的幾率擊中D3,25%的幾率擊中D1,25%的幾率擊中D2;

5. 情況A. 假如D4感光,那麼我們就明確的知道,它的紅色糾纏兄弟擊中D0;假如D3感光,那麼我們就明確的知道,它的藍色糾纏兄弟擊中D0。如此,我們就知道了D0上面每一個光子是通過哪條縫的了!這個時候,D0上的干涉條紋退化了,變成了兩坨光印!
6. 情況B. 假如D1或者D2感光,那麼我們還是不可能知道D0上光子的光路情況,觀測資訊相當於被擦除了。干涉條紋就被複原了!
7. 注意這個試驗很重要的一個暗示:D1D2感光和D3D4感光唯一的區別是,通過光路知識,我們能提取光子資訊。沒有觀測者,沒有觀測意識,僅僅是知識本身,僅僅使我們可能知道的潛能,就導致了混合狀態的坍縮;
8. 最最重要的一點,所有D1~D4的感光資訊的產生,都是發生在D0感光之後的!!彷彿光子預知了未來,決定了自己在通過雙縫之前是否坍縮。

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第3條,光在D0上產生了干涉條紋,這一點是錯的,激光發生器所產生的激光是單光子的,我們並不能直接從D0上面看到干涉條紋,我們需要對一個一個的點進行篩選,R1R2R3R4這四張圖,對應於所收集的點是哪個感光器感光的同時所收集到的,如果我們不進行篩選,任由每個點都留在M0上,那我們得到的還是兩坨光印。

什麼預知未來,什麼因果顛倒,僅僅是按照一定規律篩選,把能形成干涉條紋的光子篩選出來而已。

看吧,這么一講是不是感覺沒有什麼神奇的地方?實驗才是王道,細節決定認知,搞不清楚細節只會讓我們越來越糊塗。


段繼罡:

你見過平胸妹子嗎?


Aorqu用戶:
概念上的理解,量子世界我們講的都是一種狀態,而不是現實中的具象物體。比如電子能級,是能量的狀態,而不是電子在不同軌道的位置。
同樣的,波粒二象性是一種狀態,你可以理解為空間中的一個波函數,至於這個波函數的樣子,取決於你觀察的方法,有時候觀察到的是一個波,有時候觀察到的是粒子。這里的觀察也不是你親眼去看,而是儀器,或者是間接的通過相關的連鎖反應推測出來。
數學上的理解我就不說了,回去把公式推導幾遍吧。


Aorqu用戶工程力學博士在讀:

光的波粒性質並不能代表光的真正形態,只是我們觀察角度不同,而得出的不同結論。

打個比方:
對於金字塔,我們從正面看是一個三角形,但是俯視的話就是四邊形。這兩種形狀都是屬於金字塔的一部分,但是由於不同的視角,得到了不同的答案。然而,無論是三角形,還是四邊形,都不能說其中之一或者這兩個形狀就是金字塔。事實上是金字塔的形狀遠遠復雜於這兩個形狀。

對於光,也是如此,波粒性質是光的不同角度得到的性質,但是不能代表光實際的形態


inspire:

你不懂很正常,說懂了的人才是假裝懂了。雖然目前量子場論發展的非常前沿。但是離愛因斯坦的物理實在論還是很遠。也就是說,現在的量子力學和量子場論只是工具,可以計算很多東西,而很多本質的東西人們並沒有搞清楚其最本質的物理圖像是什麼.


Aorqu用戶:
是。


司馬會意:

2016.9.2補充一句話:
前面有個答案說得很好,波粒二象性是性質而不是本質,想通了這一節,就比較好理解了。

以下是原答案:

其實粒子不是波,只是按波函數的概率分布而已。所謂波粒二象性只是粒子的行為方式像波,其實粒子還是粒子,不會突然虛化成一片波


黃平:

不知道題主多大年齡。
看這個問題讓我回想起高中時代的同桌,我這個同桌成績一般,但是非常勤學好問,而且是不厭其煩的問,還經常問一些讓人莫名其妙的問題,有一天下午自習課,她有道物理題做不出,向我請教,簡短的說,我給他解答了,記得運用了右手定則,結果麻煩來了,她表示理解不了,我又講了幾遍,她還是無法理解我為什麼要用右手定則,當時我也被問懵了,說不出個所以然。現在回想起來,就比較好解釋,其實解釋經驗,定式,那種狀況題型就用右手定則,沒為什麼。她想不出來是鑽牛角尖了,還有題做的少。
題主也許也是一樣,鑽牛角尖,你只要知道光有波粒二象性就可以了,還不需要了解本質。


Aorqu用戶:
我先面壁一會再給你解釋…

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