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量子的特性會不會對現實生活產生影響?

2020-01-03科學

先說結論, 不會 ,然後我用一個例子來描述。

量子力學有一種表述叫做 「路徑積分表述」(path integral formulation) ,是 費曼(Feynman) 率先引入的,所以又稱 費曼路徑積分 ,這個東西的思路很簡單,用一張圖來表示:

圖片來自「量子科學論」的文章:

這張圖什麽意思呢?它告訴我們,在量子力學裏,對於 給定起始時間 t_{a} 起始位置座標 x_{a} ,終止時間 t_{b} 終止位置座標 x_{b} 的一個過程 ,粒子可以以 任意的各種繞來繞去的路徑 完成這一過程,如圖中的左上小圖所示,就如同對於一段確定了起始事件和終止事件的歷史過程,其中可能發生任何事情(如圖中右上小圖所示)。但是我們知道, 任何一件事情 ,在發生之後,是 必然有一個確定的過程 的,比如圖中的左下小圖,粒子必然只會按照 某一條路徑 從起點走到終點,就像歷史只會有一種可能(如右下小圖),我們的「測量」使粒子路徑的各種可能性塌縮到了一個確定的路徑。

然後費曼就告訴我們,這些 不同的路徑是有權重的 ,他用一種 純粹物理直覺 的方式,寫下了各個路徑的 機率幅 ,稱其為 「路徑積分」 ,如下:

iG(x_{b},t_{b};x_{a},t_{a}) = \int_{ }^{ }D[x(t)]e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]}

說這是一種「純粹物理直覺」的方式,是因為我們確實不理解路徑積分,但是我們知道它非常好用。在式子裏, G 是 機率幅 ,這裏可以粗略地理解為是機率(嚴謹地說機率應該為 P=|G|^{2} ),它等於對 每條路徑的作用量 S[x(t)] 在 e 指數上加一個 權重 e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} 後對 所有路徑 的積分 \int_{ }^{ }D[x(t)]e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} ,式子中 D[x(t)] 是 積分變量 ,簡單理解就是位置 x 和時間 t 。這裏邊最重要的地方就是權重 e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} ,如果我們假設 有條路徑是最具有可能性的路徑 ,不妨設其作用量為 S_{0} ,那麽對於S[x(t)] 遠遠偏離S_{0} 即 |S[x(t)]-S_{0}| 很大時,e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} 這個 e 的複指數會發生劇烈的振蕩,範圍是-1到1 (我們知道 e 的複指數是一個周期函式,周期為 2\pi ),那麽這些偏離 S_{0} 較遠的路徑對機率幅的貢獻都會 在振蕩中正負相消

因此,對機率幅 有貢獻 的,只有 在 S_{0} 周邊偏離不大遠的路徑 S[x(t)] ,這一方面一定程度上說明了量子力學的不確定性,另一方面又告訴了我們, 經典物理是不會受到量子物理微觀效應的影響的 。其原因在於,權重 e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} 中,決定了 振蕩的周期 (或者說不發生振蕩的範圍)的 約化普朗克常量 \hbar=\frac{h}{2\pi}=1.05457266(63)×10^{-34}J·s ,相對於 宏觀世界的經典尺度 是一個 極其微小的量 ,在我們的宏觀世界中,任何一個偏離S_{0} 的路徑S[x(t)] ,其 偏差值 相對於 \hbar 而言都是 極其巨大 的,都會在機率幅的積分中 引發劇烈振蕩使得其正負相消,貢獻為0 ,只有S_{0} 路徑會留下來。所以最終我們的宏觀世界都會沿著一條確定的路徑去行進,量子力學的不確定性也就在宏觀世界中消失了。

當然這裏只是一個例子,實際上還有很多別的例子,這裏不一一贅述,不過我們要記住一個點,即 量子效應都是和\hbar 掛鉤的 ,只有在這種 10^{-34} 尺度下,去討論量子力學的不確定性等等性質才有意義,在 宏觀情形 ,這些效應都是 極其不顯著而可以忽略 的,所以完全不用擔心量子效應對現實生活產生影響,現實世界是由經典規律主導的。

上面是回答的正文,下面說一些題外話:

我很敬佩和喜愛大劉,不過我也希望大劉能夠澄清一下, 【球狀閃電】中的宏原子只是一種科幻 ,並沒有量子力學的基礎,這樣可能會讓不了解量子力學的朋友們更加放心一些。

另外,我覺得,如果對量子效應這種東西有疑惑,最好還是去學一學物理,其實只要學到 高等量子力學 這個等級,基本上對其的理解就已經足夠消除這種困惑了, Sakurai的【現代量子力學】 是一本很好的教材,可以自行翻閱,畢竟老祖宗孔子說的很好 「思而不學則殆」 ,多去看看書了解一下真實的量子力學,比聽科普會來得更有益處。