量子效应只存在于原子尺度吗?

 新闻资讯     |      2020-07-08 09:54

量子效应不仅限于原子尺度,有几个宏观量子行为的例子。量子物理学将物质和能量描述为量子波函数,它们有时像波一样起作用,有时像粒子一样起作用,但实际上不仅仅是波或粒子,还更复杂。

实际上,宇宙中的每个物体(从原子到恒星)都根据量子物理学进行运作。在许多情况下,例如投掷棒球时,量子物理学的结果与经典物理学相同。在这种情况下,我们使用经典物理学而不是量子物理学,因为数学更容易并且原理更直观。量子物理学定律仍然在投掷的棒球中起作用,但是它们的作用并不明显,因此我们说该系统是非量子的。

“量子效应”是不能通过经典物理学正确预测,而是通过量子理论正确预测的效应。经典物理学将物质描述为由微小固体粒子组成的物质。因此,每当我们让这些物质碎片像波一样运动时,我们都展示出量子效应。(经典波如声音和海浪不算作量子波,因为它们只是一个运动波,其物质碎片没有波的行为。要成为量子效应,粒子本身必须像波一样运动。)

虽然量子效应并不严格限于原子尺度,但在原子尺度上它们当然更为常见。为什么是这样?让我们看看问题。为了产生量子效应,我们必须让物质起波的作用。要成为宏观量子效应,我们必须获得许多物质,以一种有组织的方式像波一样起作用。如果所有的物质比特都以随机的、不相交的方式像波一样起作用,那么它们的波将发生干扰并在宏观尺度上平均为零。

在物理学中,我们将有组织的波状行为称为“相干性”。物质比特的波状性质排列得越多,物体的整体越连贯。而且,对象越紧密,整体上的作用就越像波。粗略的类比,考虑一群在游泳池里嬉戏的孩子。如果孩子们都在做自己的事情,那么他们飞溅时产生的水浪将是随机的。一堆随机的水波加起来大约为零。该系统是非相干的,除非仔细观察,否则水波不明显。

现在,如果孩子们排成一列,并且每两秒钟都在同一时刻溅水,他们所有的小浪加起来就变成了一大浪。这个系统是连贯的,水池中的水波很明显。游泳池只是一个比喻,水波的作用类似于少量固体颗粒的波,因此是经典的而不是量子的。为了像量子波一样起作用,物质的位不仅必须使其运动对齐,而且还必须使其量子波性质对齐。

这里的关键是,只要各个部分随机运行,就不可能实现大规模的相干状态。只有一种可能的方式来使部件系统以协调的方式运行,而还有更多的方式可以使系统以不协调的方式运行。因此,协调的行为比不协调的行为更不可能发生,尽管并非不可能。

例如,如果您掷出5个传统骰子,则有六种方法可以在一轮中获得所有相同的数字。相反,有成千上万的方法来使所有数字不相同。让骰子显示相同的数字是不可能的,但并非不可能。以类似的方式,宏观尺度上的量子相干是不可能的,但并非不可能。如果物质的各个位的量子波性质可以排列成相干状态,那么量子效应将在宏观尺度上变得明显。以下是宏观量子效应的一些示例。

超导,当导电材料充分冷却时,其导电电子会散布成大规模的相干波态。这些相干波态能够流过杂质和原子而不会受到干扰,因此会形成电阻为零的材料。超导导致有趣的宏观效应,例如量子悬浮(迈斯纳效应)。超流动性, 当某些材料充分冷却后,它们的原子会扩散成能抵抗表面张力的相干波态,使材料像粘度为零的液体一样流动。玻色爱因斯坦冷凝物,当某些材料充分冷却后,它们的原子就会完全散布成一个巨大的相干波态。以这种方式凝结的宏观物质像波一样起作用,并表现出诸如干涉之类的波特性。

激光通常被称为宏观量子效应,但是,经典的麦克斯韦方程式成功地解释了诸如激光之类的相干光,因此它不是量子效应。但是,产生激光的方式却不一样,通过受激发射和离散能级之间的转换是量子效应。不过,激光中的受激发射是原子级的效应,因此没有列入我们的宏观量子效应清单。

同样,有许多原子级量子效应可导致在宏观尺度上可观察到的结果,例如使现代计算机成为可能的量子效应,这些影响实际上并不是在宏观范围内发生的。相反,这些影响发生在原子尺度上,然后将影响的结果放大到宏观水平。