(陶三来)上课(1)——量子和量子测量

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donau
楼主 (文学城)

先说一个最最容易misunderstanding的概念吧。

人们说到,量子,这个词,第一反应是一份一份,也就是陶三说的不连续,discrete。所以提及量子力学,那就是关于很小量的something?

我把google的解释抄过来,quantum:a discrete quantity of energy proportional in magnitude to frequency of the radiation it represents.

最关键的点来了。这里说的很对,能量是和频率成比例的,背后用的是普朗克定律(公式当然是一个光子,photon),

所以上次陶三问我一个大活人能不能当做波来看,我说,瞎扯。你算算那个波长有多大?

仅从字面上理解,能量proportion to frequency也完全不是说它一定不连续(很多时候恰恰相反)。

量子,或者说不连续这个错误理解,有他的历史原因,要追溯到19世纪人们第一次完成的对原子谱线的研究。

原子只能吸收特定频率的光谱(跟我吹孔雀毛?)。而那时候的人们,对原子结构的理解是,堆在一起的小球。今天我们知道的是,原子由在外层轨道(shells)旋转的带负电的电子和带正电的核组成,这些轨道有固定的位置和形状,而且可以通过量子力学准确计算出来。

这也解释了为什么原子只能吸收特定频率光谱。因为能够造成电子从一个轨道到另一个轨道跃迁的能量是确定的。也就是说,当原子给定,和它结合的电子的能量是不连续的,但是并不是说任意一个粒子所带的电子的能量是不连续的。比如说,按照量子力学计算的结果,光子(photon)通过empty space是可以携带任何值的能量的。

Quantum遵从的理论,是Quantum Theory,Quantum Theory指的是Heisenberg's Uncertainty Principle(这一点其实不完全准确我不多写了,那再写3页也不够),但是它是帮助理解量子力学的最核心概念,即

某些物理属性的测量精度是有限的,也就是说,一种属性测量的越准确,另一种的精确度会越底,比如大家最熟悉的位置和动量。

准确或者不准确,当然是Quantum Measurement意义下。

严格说来,量子力学不是说物质是由一个一个小颗粒(Particles)组成,而是说,可以把组成物质的基本单位(elemental constituents)理解成Particles,而实际上,这些Particles是由波函数描述的。

波函数本身只是一个数学表达,它自己当然既不是粒子也不是波,但是它即可以用来描述粒子又可以用来描述波。So?

波函数最厉害的是,它不是可以观测到的量,只是一个工具,帮助我们计算(解释)我们观测到的东西(这里有点不好理解?)。好吧,那就理解成完全不知道它长什么样好了。网上见到的图三角函数那样?那是因为那样的函数满足波函数需要的条件。

当然,使用波函数计算之前,要有三个假设(不要以为假设是瞎猜噢,爱念经的才会瞎猜,真正的科学家?不会的)

1. 波函数满足薛定谔方程。我贴它最简单的表达式在这里。其中,Psi是波函数(向量),这里别的甭管,只要知道它是线性偏微分方程组就好。对不同粒子,当然得到不同的薛定谔方程。求解得频率,然后得到上面提到的能量(那是我做了很长时间的工作,这是我最爱最爱的方程)

这个方程最厉害的,第一,他保证得到的所有波函数可能的概率和是1,第二,由它得到的时间的改变是可逆的。在量子力学里,它最重要的是第三点,线性。

如果你学过高等数学,一定对线性空间这个概念不陌生——如果一个方程有两个解,那么它们的线性组合也是方程的解(这一点非常非常非常关键)。

2. Born Rule。描述用波函数来计算某一个度量的概率。简单说,概率是波函数的平方。

3.Measurement Postulate (Update/Collapse of the wave function)。 这个假设是说,一旦你测量完粒子的某个状态,那么它在那个状态的概率突变为1。这一点貌似不好理解,但是在我眼里最重要,如果你在测定之后不认为你的波函数是确定的,那么前面的一切是没有意义的。

确定的波函数会变得和薛定谔方程不相容?

不会的。如前所述,薛定谔方程是线性方程,任何方程解的线性组合也是方程的解。这一点用,薛定谔的猫,这个例子最好理解了。

如果一只猫state 1(死):50%概率,state 2(生):50%概率,那么当然state3=state1+state2也是它存在的状态——这不是很简单的事?所以我说网上真明白还是瞎掰的我一眼能看出来。

state3在物理上叫superposition。

 

 


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JSL2023
你的波函数是特指老薛的波函数,把琴弦固定弹一下,或海边漫步看到的浪,也都是波函数描述的,它们都亲眼可见:)
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FEVRE
不想来得家长签字嘛?或者家庭医生?看着这内容就想逃学了
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olcbps
我怎么觉得多瑙要来真的,下一课讲物理学的原子弹了。
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donau
放心吧原子弹我也不怎么懂不过原子弹的原理很简单。难得是实际操作实验实现那部分
d
donau
我也不懂。其实你算这些也不要懂多少但是要知道哪个出来的结果对
d
donau
你这个怎么说呢。是你看见然后把它想成那样。而且是宏观世界那完全不是一个概念
陶陶三
多老师好。孩子们放暑假,我却开学了啊,喜气洋洋。有几个文科生问题:

量子是物质最小单位的度量,还是能量最小单位的度量?其实到了量子领域,是不是其实没有物质,只是能量?这个能量的确有确定的最小单位“一份儿一份儿”的,还是我们只是像厘米对于分米、米这样相对的假设?

 

双缝实验,到底什么是观测?如果没观测,是否意味“波”才是其“真实”模样?而一旦观测,“粒子”只是“观测”之后的一个假象?如果是没有被观测前是“叠加态”,那么是否意味没观测时,是一种混沌、无序状态?

 

 

波粒子3
波函数是数学名词,物理叫做量子态
d
donau
我想都不是,quantum是一个概念

比如你见到这个词quantum physics或者更常见的quantum mechanics那是说你所有在宏观世界的物理原理,当然主要是牛顿力学gravity已经不再适用,也就是不能解释微观世界的物理现象。最简单是原子结构已经很清楚了,原子核带正电,电子沿轨道高速旋转带负电,按照经典牛顿力学,这种旋转必然消耗大量的能,而且由于正负作用,电子唯一的归宿是冲到原子核。

实际上呢,完全没有。而且很稳定。

所以人们需要新的理论来解释。也就是quantum physics产生的原因。所以我上来就跟你说,宏观世界是不能和微观世界混到一块说的。至少目前还不能。我不让你听这网上的人瞎扯,是我发现那些振振有词的比你混乱多了。

到了量子领域当然有物质,原子核也是物质啊。只是通过薛定谔方程计算得到的频率是和能量有关系的,而能量,是解释物理现象的直接原因。当然薛定谔本人,对他的方程不合适宏观世界这件事非常unacceptable现在对能量的定义就是你理解的那样,米厘米分米。具体数值时hv(Plank constant. frequency of photon) photon是爱因斯坦提出来的应该,你理解成小的颗粒是对的。但是这里完全没有能量一份儿一份儿的概念。

关于双缝实验。什么叫什么是观测?你看到的就是观测啊。Observation.你做过物理实验吗,每次都是观测的我想。观测并不影响存在状态,如果我想一下的话,我会说观测,或者做实验,是把时间坐标定住,比如你挑一个时间点放大。或者你观测运动的变化,象你举的双缝实验的例子。所以我不认为观测会影响物理性质。

p
papyrus
一看你就是量子盲“shell“是“层”不是“轨道”一层可以有多个轨道
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donau
我都说了我一翻译肯定对不上中文。我已经很尽量圆了
纳兰性空
必须承认,完全看不懂,盲赞一个认真。

我算很狂的人了。我只敢说把人擂台上放倒。

女侠比我还狂,自己当老师,点名道姓,让人家来上课。哈哈哈。

我早说了,我不服耶和华,不服悉达多,就服你。you are my queen。

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olcbps
哈哈,我就知道你怕原子弹!
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donau
你真这么觉得?那我把标题改了好了我现在又不好删了
纳兰性空
不需要,拜托改回去:)
纳兰性空
同学们来跟我学造句。“本来…回头…似乎…就算了。” 我带个头。

本来想给陶三打抱不平,回头一看他贱贱的样子,似乎很享受被多多死死地拿捏住,就算了

 

周瑜打黄盖。

木有文化
哎呀量子力学我是专家,因为我就是量子

上次吃饭的时候,我老婆说我笨手笨脚的,我就跟她吵了几句。

饭后轮我洗碗,她老在后面盯着我,我虽然没看见,但知道在被观测,后颈寒毛倒竖浑身不自在。果然就摔碎俩盘子。

薛定谔诚不我欺,观测改变命运啊

J
JSL2023
你应该是专家,多网友的关键词都在你ID里:)
陶陶三
批评:一经观察就改变,这个例子说明,之前是真实态(给陶三上课),之后为虚假态(变成了给每个人上课)。所以在量子力学中,

观察是一种干扰。

陶陶三
批评:除了苍老师之外,难道我就不能有别的老师?
纳兰性空
可以可以,我也是有老师的。

我以前的老师姓苍。

d
donau
哦你说的这个概念啊我说怎么陶三的问题我看不懂呢。那是指我提的第三个postulate吧。这些我完全不知道中文是怎么解释的

那是你把观测到的状态的概率Update到1了因为不然没法接着算了。

所以我看到的是说collapse也行。但是我没想到可以用陶三解释的那样有有物理性质的改变。所以我说他的问题我没看懂。

d
donau
那再听你的改回去?
纳兰性空
这样好多了,谢谢:)
黄瓜
哦?国民老师?:)

中国人谁不知道苍老师啊!

黄瓜
似乎层和轨道有时是通用的,
p
papyrus
轨道才描述电子在空间出现的概率。另外电子不是量子,量子也没有“层和轨道”一说
黄瓜
不好意思,打错一个字,把电子说成了量子。

本来想改过来,有事给耽误了,后来就忘记了。