本文希望培养读者对量子力学世界有一个必要直观感受|量子力学的核心——叠加、局域性和不确定性,理解其背后的直觉

本文希望培养读者对量子力学世界有一个必要直观感受|量子力学的核心——叠加、局域性和不确定性,理解其背后的直觉
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本文希望培养读者对量子力学世界有一个必要直观感受 , 事实上 , 它也不是那么的无法理解 。 在这一篇中 , 我要讨论的是最基本的量子特性 , 即叠加、不确定性和局域性(localization) 。 尽管本文要求读者事先了解一些关于量子世界的基本事实(最基本的是波粒二象性) , 但一旦清楚了这些基本事实 , 并能接受了波粒二象性是自然界的一个基本属性这一事实 , 本文的总体要点就不难掌握和理解了 。
首先 , 让我们看看什么是叠加 。 叠加在维基百科上被定义为:
一个量子系统在被测量之前同时处于多种状态的能力(theabilityofaquantumsystemtobeinmultiplestatesatthesametimeuntilismeasured) 。
能理解吗?似乎并不能 。 那么 , 让我们把它拆开来看 , 这个定义涵盖了叠加的以下几个方面:
该系统需要是一个量子力学系统 。 这只是意味着系统的大小需要小于10^(-9)米 。 在更大的尺度上 , 虽然这些特性确实存在 , 但它们无法用肉眼看到 , 甚至无法通过仪器探测到 。
系统同时以多种状态存在 。 这涵盖了叠加的主要方面 , 并告诉我们所考虑的量子态同时限制了两种不同的属性 。 这些属性可能是粒子的位置 , 或它们的动量 , 或(在量子比特的情况下)它们的比特值的
形式 。
这种状态一直持续到被测量为止 。 这涵盖了叠加的另一个方面 , 即量子叠加作用于一个粒子/波 , 只要它没有被测量(之前文章深入探讨过):
幺正演化——时间可逆问题的核心 , 为存在提供了论据
在本文中 , 我们将严格地把我们的直觉建立在这个定义上 , 并将其作为基础 。
现在 , 我们来到了这篇文章的核心——直觉 。 因此 , 让我们定义一个二维网格(见下图) , 在此基础上对波和粒子进行研究 。 首先在这个网格上添加一些单位标记(单位的大小相当于量子尺度) , 然后在这个网格上添加一个量子物体 。 在量子尺度上 , 波粒二象性要求我们同时重视物体的波和粒子方面的性质 。
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一个在笛卡尔平面上描述的量子物体 。 请注意 , 波和粒子并不是两个不同的物体 。 相反 , 它们是对同一个量子物体的两种不同解释 。 另外 , 所画的波不是按比例绘制的 , 而是一个相当随意的波 , 不应该从数学的角度来研究 , 只是为了便于理解 。
现在让我问你一个问题 , 粒子到底在哪里?你可能会回答 , 在(大约)(-2.5 , 1)处 。 但如果我问你 , 波到底在哪里?你可能无法回答!这就对了 。 你不能准确地说出波的位置 , 是吗?
你可能在想 , 可以增大图形的单位的比例 , 这样 , 当系统被放大到非常非常大的时候 , 波浪似乎是一个点 。 但是 , 当放大一点时 , 就会至少失去一些关于准确性的信息(就像在两个自然数之间有一个1厘米的间隙的自然数刻度上看 , 会失去关于√2或1.01001000100001的确切位置的信息) 。 还有 , 可以放大的程度甚至是有限制的 , 因为如果放大得太多 , 就不再是在一个量子世界里了(回到了经典物理世界) 。
那波和粒子 , 它们是不同的量子物体吗?不是 。 它们只是同一个物体的两个不同的描述 。 因此 , 在物体的一个描述中 , 有一个特定的位置 , 但在另一个中 , 就没有了 。 那么 , 哪一个是正确的?事实证明 , 两者都正确 , 这就是量子力学的全部内容 。 叠加是关于一个粒子显示出波的特性 。 因为粒子的波特性 , 不能有一个确切的位置 , 粒子必须遵循这一点 , 它不能有一个确切的位置 。 而这正是我们所说的"同时存在于多个状态/位置"的意思 , 我们知道这个概念的名称是"叠加" 。