王一
量子力學(xué)本身是一個(gè)物理理論,但它又高于一個(gè)具體的理論,它是一個(gè)理論框架,所有的物理理論都可以融入這個(gè)框架中——目前除了廣義相對(duì)論以外。量子力學(xué)量力而學(xué),我們今天只對(duì)量子力學(xué)中一些有意思的現(xiàn)象“淺嘗輒止”。
我們已經(jīng)了解了“單光子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”,這是量子力學(xué)中一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象。我們還知道,不僅光子,世間萬物都具有波粒二象性,那么讓我們想象一個(gè)粒子的“單粒子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)”。
我們今天的主人公名叫王七,和夢游仙境的愛麗絲一樣,他也喝了“變小”水,變成了微觀世界中原子一樣的大小,然后波粒二象性中的波動(dòng)性就開始彰顯了。
王七想要進(jìn)入一個(gè)教室,教室有兩扇門,他可以同時(shí)通過這兩扇門進(jìn)入教室嗎?是可以的,因?yàn)橥跗呔哂胁▌?dòng)性。那王七到了教室的什么位置呢?王七所在的位置是由兩個(gè)路徑的差來決定的:當(dāng)路徑差是波長的整數(shù)倍,王七有更大的可能出現(xiàn)在此;而當(dāng)路徑差是半整數(shù)波長,王七則不會(huì)出現(xiàn)在這里。這就是雙縫干涉。
下面我們把教室的兩扇門全關(guān)上,王七沒有鑰匙,面對(duì)一堵墻,他怎么辦?量子的王七能不能穿墻而過,進(jìn)到教室里呢?如果王七是一個(gè)經(jīng)典物體,那么他沒有辦法穿墻而入,除非他的能量大到可以把墻打倒,然后過去,或者他可以跳得足夠高,從墻上邊翻過去。但是,現(xiàn)在的王七有了波動(dòng)性,事情就不一樣了。
提到穿墻,我們上網(wǎng)搜一下,會(huì)搜到“穿墻技術(shù)哪家強(qiáng),請(qǐng)買××路由器”等內(nèi)容。這告訴我們,波動(dòng)是可以穿墻的,路由器發(fā)出的無線信號(hào)是電磁波,電磁波可以穿墻。從這個(gè)例子我們學(xué)到兩點(diǎn):第一,穿墻是波動(dòng)的“種族天賦”,波動(dòng)天生就會(huì)穿墻;第二,穿墻之后波動(dòng)的幅度會(huì)減弱。應(yīng)用到王七,我們知道:第一,王七是一個(gè)物質(zhì)波,具有波粒二象性,所以他也可以穿墻而過。第二,穿墻以后波動(dòng)減弱,這就有點(diǎn)恐怖了?你吃一個(gè)蘋果,最怕的不是沒見到蟲子,也不是見到一條蟲子,而是見到了半條蟲子。王七穿過墻去以后,摸摸腦袋說“我的頭還在嗎?”這樣的話,是不是很恐怖?
但是,如果我們把王七想象成一個(gè)基本粒子的話,這種事情是不會(huì)出現(xiàn)的。所謂基本粒子,即是沒有辦法再分割的基本單元,已經(jīng)是最小的一份了。要么穿過去,要么不穿過去,不會(huì)出現(xiàn)半個(gè)粒子穿過去的現(xiàn)象。波動(dòng)減弱,在基本粒子的范疇里體現(xiàn)為概率減小。也就是說這個(gè)粒子很大的概率留在墻外、被墻彈開,而有一個(gè)很小的概率穿過這堵墻。這種穿墻而過的現(xiàn)象,在量子力學(xué)里叫作“量子隧穿”現(xiàn)象。
那我們今天的主人公為什么叫王七呢?蒲松齡在《聊齋志異》里寫過一個(gè)故事,叫“嶗山道士”。王七向嶗山道士學(xué)得穿墻術(shù),試一下成功了,然后又給自己的妻子炫耀,結(jié)果炫耀失敗。
“量子隧穿”現(xiàn)象如今有了很廣泛的應(yīng)用,例如現(xiàn)代科技所依賴的晶體管便是基于“量子隧穿”現(xiàn)象。不僅如此,“量子隧穿”現(xiàn)象還改變了我們對(duì)世界的理解。
我問一個(gè)問題:可以囚禁住一個(gè)電子嗎?這件事情聽起來好像是可能的,比如說施加一個(gè)磁場,電子就只能在磁場里繞圈了。但是我們只可以相對(duì)地囚禁住一個(gè)電子,不可能做到絕對(duì)地囚禁。任何的囚禁方法實(shí)際上都相當(dāng)于在電子周圍造了一堵墻,這面墻可以很高,可以很厚,但是我們要記住,電子總有一個(gè)雖然說可能很小但不等于0的概率可以穿墻而出。絕對(duì)意義上的囚禁住一個(gè)電子是不可能的!
宇宙中,電子無處不在,只不過可能在你想讓它在的地方概率大一點(diǎn),在你不想讓它在的地方概率小一點(diǎn),但是歸根結(jié)底,這個(gè)電子無處不在!
如果你感覺你的世界認(rèn)知還沒有什么觸動(dòng),那么我再問一個(gè)問題:世界上有兩個(gè)不同的電子嗎?想象一下,我們變小了,跑到一個(gè)原子里邊,我們有沒有可能指著一個(gè)電子說:這個(gè)電子是從別的原子里面跑過來的內(nèi)鬼,我把它揪出來。我們能不能指名道姓地去標(biāo)記一個(gè)電子?對(duì)不起,在基本粒子的層面,我們是做不到的。大家想一想,在經(jīng)典的層面,我們?nèi)绾螛?biāo)記兩個(gè)小球或者說兩個(gè)人?要標(biāo)記兩個(gè)經(jīng)典物體的區(qū)別,我們有兩個(gè)辦法,一個(gè)是內(nèi)在的,一個(gè)是外在的。
這個(gè)人和另一個(gè)人長得不一樣,這是什么意思呢?就是這個(gè)人這兒多了一些粒子,那個(gè)人這兒少一些粒子。但是到了基本粒子的層面。粒子已經(jīng)不再可分了,你不能說這個(gè)基本粒子這兒多了一些粒子,到了基本粒子層面,電子就是電子,光子就是光子,你找不到兩個(gè)長得不一樣的電子或光子。
從內(nèi)在上我們沒有辦法區(qū)分,那么從外在上我們能不能區(qū)分呢?經(jīng)典的人,比如兩個(gè)人長得很像,你一眼可能看不出誰是誰,但是我可以一直跟蹤他們。在量子世界里,對(duì)于一個(gè)基本粒子而言,這是做不到的。這個(gè)粒子是無處不在的,可以在這兒,也可以在世界上任何地方,只不過在這兒的概率大一點(diǎn)。別的電子可以在別的地方,但是它也可以在這兒。
從內(nèi)在上我們不能標(biāo)記一個(gè)電子,從外在上我們也不能標(biāo)記一個(gè)電子,把這一結(jié)論上升到一個(gè)原理的話,就是“全同粒子原理”。在量子力學(xué)里,我們是沒有辦法去標(biāo)記粒子的:電子雖然是可數(shù)的,我們可以數(shù)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)電子,但是我們不能標(biāo)記這個(gè)電子、那個(gè)電子。
小結(jié)一下:波動(dòng)性不僅帶給我們雙縫干涉,還帶給我們隧穿現(xiàn)象?;谒泶┈F(xiàn)象,我們可以制造出很多的電子元件。不僅如此,它還告訴我們,本質(zhì)上一個(gè)電子是無處不在、充滿整個(gè)宇宙的,進(jìn)而我們沒有辦法去標(biāo)記任何一個(gè)基本粒子。
(本文節(jié)選自人民日?qǐng)?bào)出版社《量子科技:領(lǐng)導(dǎo)干部公開課》)
《量子科技:領(lǐng)導(dǎo)干部公開課》
作者:《量子科技:領(lǐng)導(dǎo)干部公開課》編寫組
書號(hào):ISBN 978-7-5115-6627-0
出版社:人民日?qǐng)?bào)出版社
出版時(shí)間:2021年1月