量子力学 物理学的“宏观”和“微观”之间,是否存在一个界限?
日常生活中,经常会提到“宏观”和“微观”的概念,一般来说宏观指的是肉眼可以看见的物体,而微观是肉眼不可见的物体,比如各种微生物,分子,原子等物质最基本的组成单位就属于微观。
而在哲学领域宏观和微观也同样适用,一般情况下,宏观可以代指某个集体,而微观是个体之间的交互。简单来说,宏观和微观就是集体和个体,全部和局部之间的关系,而在物理学中,宏观和微观有着更加重要的意义!
【 量子力学|物理学的“宏观”和“微观”之间,是否存在一个界限?】
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为什么物理学中要有宏观和微观的区别,我们又应该怎么区分两者的区别呢?其实在物理学中,关于宏观和微观之间的区别也比较模糊,比如,对于地球上的人类来说,我们肉眼可以看到的事物是宏观的,可是对于生活在人体内的无数微生物来说,人类认知的微观是它们的宏观。
又比如站在银河系的角度去观察,地球就属于微观,因为在银河系内像地球这样的行星特别多,甚至数量多到无法准确计算,对于银河系来说,地球属于微观。站在地球的角度去思考,地球上的各种生物包括人类属于微观。
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我们认知中的宏观,可能只是更大宇宙尺度下的“微观”,古人说得“一山更有一山高”在这里很合适。抛开哲学上的宏观和微观,再来讨论一下物理学中的“微观”。
人类对于微观的了解和探索起源于显微镜的发明,直到显微镜问世后,科学家才知道在我们肉眼不可见的区域还存在更小的生物和物质。随着科学的进步,电子显微镜问世,人类可以观察更加微观的世界。
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而在物理学领域,经典力学一直长盛不衰,直到20世纪开始,量子力学和相对论问世,物理学家才发现,我们生活的宏观世界中的物理规律并不适用于宇宙中的全部情况,在物体高速运动时,我们熟悉的经典力学就会失效。
其次,在微观的量子世界中,微观粒子的运动规律和宏观世界完全不同,并且微观世界中隐藏着超乎想象的庞大能量(核能源和反物质),因此物理学的发展方向开始转向微观的量子领域。
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那么在物理学中,是否存在一个宏观和微观的明确界限呢?如果非要给出一个分界线,普遍认为粒子物理学中对于物质尺度的认知就是宏观和微观的差别,也就是大于1纳米的物质属于宏观,小于1纳米的物质就属于微观领域。
但是,物理学中并不存在一个绝对的界限,在人类的科学体系中宏观和微观都是“相对”的,在不同的情况下不同的对比对象中,宏观和微观的概念是可以混淆的。自从量子力学诞生,科学家就对量子力学的基础和解释感到不满意,因为量子力学中会出现一些宏观世界中不会出现的物理现象。
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在微观世界中,“不确定性”是绝对的主角,一些微观粒子可以凭借不确定性原理完成“不可能完成的任务”,比如“量子隧穿效应”中,即使量子具备的能量不足以越过某个能量壁垒,量子仍然可以概率性的越过能量限制。
就像是现实世界中的“穿墙术”,理论上来说,只要撞墙的次数足够多,确实有几率实现“穿墙”,只不过几率很小很小,几乎可以忽略。但是在微观世界中,单个粒子实现“穿墙”的概率并不低,正是因为量子隧穿效应,我们现在的宇宙才能从宏观的角度实现稳定。
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量子可以是粒子,也可以是波,甚至可以两种状态同时存在,只有观察者去观察时,量子的状态才可以被确定。因为观察者的观察肯对会到被观察的系统产生影响,但是在产生影响后,可以保持一个量子系统处于稳定状态。
量子世界中的“不确定性”并不影响我们宏观世界中的“确定”,科学家一直想解释微观世界中的“不确定”,而宏观和微观之间的差距可能是关键,在什么尺度下,量子的不确定性会“失效”?就像是“薛定谔的猫”这个思想实验,巧妙地让镭的衰变和猫咪的生死结合在一起,向人类展示了量子力学的不确定性。
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