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量子的特性会不会对现实生活产生影响?

2020-01-03科学

先说结论, 不会 ,然后我用一个例子来描述。

量子力学有一种表述叫做 「路径积分表述」(path integral formulation) ,是 费曼(Feynman) 率先引入的,所以又称 费曼路径积分 ,这个东西的思路很简单,用一张图来表示:

图片来自「量子科学论」的文章:

这张图什么意思呢?它告诉我们,在量子力学里,对于 给定起始时间 t_{a} 起始位置坐标 x_{a} ,终止时间 t_{b} 终止位置坐标 x_{b} 的一个过程 ,粒子可以以 任意的各种绕来绕去的路径 完成这一过程,如图中的左上小图所示,就如同对于一段确定了起始事件和终止事件的历史过程,其中可能发生任何事情(如图中右上小图所示)。但是我们知道, 任何一件事情 ,在发生之后,是 必然有一个确定的过程 的,比如图中的左下小图,粒子必然只会按照 某一条路径 从起点走到终点,就像历史只会有一种可能(如右下小图),我们的「测量」使粒子路径的各种可能性坍缩到了一个确定的路径。

然后费曼就告诉我们,这些 不同的路径是有权重的 ,他用一种 纯粹物理直觉 的方式,写下了各个路径的 概率幅 ,称其为 「路径积分」 ,如下:

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

说这是一种「纯粹物理直觉」的方式,是因为我们确实不理解路径积分,但是我们知道它非常好用。在式子里, G 是 概率幅 ,这里可以粗略地理解为是概率(严谨地说概率应该为 P=|G|^{2} ),它等于对 每条路径的作用量 S[x(t)] 在 e 指数上加一个 权重 e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} 后对 所有路径 的积分 \int_{ }^{ }D[x(t)]e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} ,式子中 D[x(t)] 是 积分变量 ,简单理解就是位置 x 和时间 t 。这里边最重要的地方就是权重 e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} ,如果我们假设 有条路径是最具有可能性的路径 ,不妨设其作用量为 S_{0} ,那么对于S[x(t)] 远远偏离S_{0} 即 |S[x(t)]-S_{0}| 很大时,e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} 这个 e 的复指数会发生剧烈的振荡,范围是-1到1 (我们知道 e 的复指数是一个周期函数,周期为 2\pi ),那么这些偏离 S_{0} 较远的路径对概率幅的贡献都会 在振荡中正负相消

因此,对概率幅 有贡献 的,只有 在 S_{0} 周边偏离不大远的路径 S[x(t)] ,这一方面一定程度上说明了量子力学的不确定性,另一方面又告诉了我们, 经典物理是不会受到量子物理微观效应的影响的 。其原因在于,权重 e^{\frac{i}{\hbar}S[x(t)]} 中,决定了 振荡的周期 (或者说不发生振荡的范围)的 约化普朗克常量 \hbar=\frac{h}{2\pi}=1.05457266(63)×10^{-34}J·s ,相对于 宏观世界的经典尺度 是一个 极其微小的量 ,在我们的宏观世界中,任何一个偏离S_{0} 的路径S[x(t)] ,其 偏差值 相对于 \hbar 而言都是 极其巨大 的,都会在概率幅的积分中 引发剧烈振荡使得其正负相消,贡献为0 ,只有S_{0} 路径会留下来。所以最终我们的宏观世界都会沿着一条确定的路径去行进,量子力学的不确定性也就在宏观世界中消失了。

当然这里只是一个例子,实际上还有很多别的例子,这里不一一赘述,不过我们要记住一个点,即 量子效应都是和\hbar 挂钩的 ,只有在这种 10^{-34} 尺度下,去讨论量子力学的不确定性等等性质才有意义,在 宏观情形 ,这些效应都是 极其不显著而可以忽略 的,所以完全不用担心量子效应对现实生活产生影响,现实世界是由经典规律主导的。

上面是回答的正文,下面说一些题外话:

我很敬佩和喜爱大刘,不过我也希望大刘能够澄清一下, 【球状闪电】中的宏原子只是一种科幻 ,并没有量子力学的基础,这样可能会让不了解量子力学的朋友们更加放心一些。

另外,我觉得,如果对量子效应这种东西有疑惑,最好还是去学一学物理,其实只要学到 高等量子力学 这个等级,基本上对其的理解就已经足够消除这种困惑了, Sakurai的【现代量子力学】 是一本很好的教材,可以自行翻阅,毕竟老祖宗孔子说的很好 「思而不学则殆」 ,多去看看书了解一下真实的量子力学,比听科普会来得更有益处。