盖革计数管(盖革辐射计数器可以无限使用吗)
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2023-11-25
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1. 盖革计数管,盖革辐射计数器可以无限使用吗?
1. 不可以无限使用。2. 盖革辐射计数器是一种用于测量辐射水平的仪器,其工作原理是通过探测辐射粒子的能量来计数辐射量。然而,辐射计数器的探测器材料会随着时间的推移而老化,导致探测效果下降,从而影响测量的准确性。此外,辐射计数器也需要定期校准和维护,以确保其正常工作。3. 为了保证辐射计数器的准确性和可靠性,使用者应定期检查和更换探测器材料,进行校准和维护工作。同时,使用者还应遵守辐射安全操作规程,避免长时间暴露在高辐射环境中,以保护自身安全。
2. 请问人类如何做到发射一个光子?
按照经典的麦克斯韦电磁学,光是一种电磁波,是一个交变的电磁场,在真空中的传播速度是30万公里每秒,这也是物质传播速度的极限。
●我们通常所说的光,是指肉眼可见的电磁波,它的波长在380~780纳米之间。
但是,实际上有些动物可以看到波长更长的电磁波。比如说狗就可以看到一部分红外线之外的电磁波,所以在一些黑暗的森林里面,狗会提前发现危险。
但是,纯粹用电磁波的理论,有一些物理现象,没办法解释,比如说光电效应。
光照射到金属上的时候,可以让金属释放出电子,但是电子的发射情况只和光的波长有关,和光照射强度没有关系。
爱因斯坦因为用量子效率正确的解释了光电效应,在1921年获得了诺贝尔奖。
量子力学对于电磁波的解释:电磁波是大量光子的统计效应。
光子的能量量子数对应于电磁波的电场分量,而频率量子数对应于电磁波的磁场分量。
按照量子力学,每一颗光子都有固定的能量,这就好像每一个玻璃球都有固定的大小一样。
假如有一大堆的玻璃球装在一个袋子里面,我们怎么样每一次都恰好挤出一个玻璃球呢?
那么,按照这种生活常识中的经验,逻辑应该是这样的:控制这个出口的大小,恰好能够通过一个玻璃球,挤出一个玻璃球以后,立刻关闭这个出口。
发射一个单光子,也可以按照这样的逻辑。
也就是说,我们恰好让发射光子的机器,能够输出一个光子具备的能量。
光子的能量完全取决于它的波长或频率,因为光以光速传播,我们可以用波长的任一频率来描述它。
光子的能量可以通过普朗克方程是E=h*c/λ=h*f计算得到。
其中:E是光子的能量,h是普朗克常数,c是光速,λ是光子的波长,f是光子的频率,普朗克常数h=6.6261×10−34焦耳。
单光子的能量是很小的,因为普朗克常数非常小。波长为520nm的绿光单光子的能量为2.38ev。
由于单光子含有的能量很小,而且尺度也很小,这就增加了控制上的困难。
我们挤出玻璃球的时候,肉眼可以看到玻璃球,但是我们发射光子时,没有办法看到光子的大小,因为你不可能用一束光去观察光。
所以,我们发射光子的时候,先控制时间,通过时间控制发射能量,来得到一个单光子。
这也可以用波长来控制,这两者是等价的。
一个激光发射器的功率,除以单光子的功率乘以一秒钟,就是所需要的时间。这个时间会非常、非常、非常的短暂。
理论上,用极短时间的激光脉冲可以产生单光子。但是也有可能产生多个光子,为了屏蔽掉多余的光子,会通过一条很窄的缝,让光场强度在空间上形成弗朗禾费衍射分布,正对缝的正中间照射到一个量子点,激发原子核外电子。核外电子从高能级向低能级回跳的时候,就会发射出一个光子。
通过缩短激光脉冲的时间,并且调整弗朗禾费衍射光场分布,可以恰好让一个光子的能量落在正中间的原子激发点位上。
通过这个原子激发点位发射出来的光子,就是单光子。
相比较于发射一个单光子,检测一个单光子要容易得多。
让发射装置透过一个45度倾斜放置的半反射半透膜,当光子打在这个半反射半透膜上,只有两种可能性:50%概率穿过,50%概率被反射。
所以,穿越端和反射端不可能同时检测到光子。
只要每一次的激光脉冲,只有一端可以检测到光子,就证明了这是一个单光子。
这样我们就得到了一个可以发射单光子的实验装置,可以用它来做被称为很恐怖的量子延迟选择实验,以及量子擦除实验。
3. 盖格管是什么?
盖革管(Geiger tube),也称盖革计数器,是一种用于探测辐射的电子器件。
它是由德国物理学家Hans Geiger和他的学生Walter Munk在19世纪末和20世纪初发明的。
盖革管的工作原理是利用放射性物质放射出的电离辐射,使得管内的气体电离,产生正、负离子。这些离子在电场的作用下运动,产生电流信号,经过放大和计数后,就可以测量出放射线的强度。盖革管广泛应用于核物理、宇宙射线探测、医学、环境保护等领域。
4. 为什么少有人做薛定谔的猫这个实验?
这是个思想实验,是薛定谔用来反驳波尔对量子世界的哲学观的一个悖论,属于哲学范畴,并不属于科学实验的范畴。
图示:薛定谔的猫,按照波尔为首的哥本哈根学派来说,它必然行走在奇妙的生死叠加态之中,而这显然是个悖论,如何解决这个悖论,成为量子物理学后来发展的一个哲学难题。
在哥本哈根学派的哲学观念中,在量子世界里,只有被观察/观测之后,物质才真实存在,在未进行观察之前,它们并不真实存在,这里的真实是指经典物理学中那种真实,严格说就是在未被观测之前,物质以概率波的形式存在,只有在进行观察之后,概率波才会发生塌缩,塌缩成一个经典物理学上的实体。将这样的观念延伸出来,就会得到薛定谔的猫悖论(悖论就是在观察之前,猫是处于生死叠加态吗?),还会得到另一个在大众中不太著名的另一个悖论:
当我们不看(看就是一种观测)月亮时,月亮还存在吗?
图示:当我们不看月亮时,月亮也会变成一个随机弥散在时空中的概率波吗?只有当我们观察它时,它才会塌缩成一个经典物理学上的实在的月亮呢?
而这里的核心问题是,只有人类的看或测量才是观察吗?
在哥本哈根学派的初期解释中,以波尔为代表的量子物理学家就是这么理解的,包括现在许多物理学家或物理学爱好者也这么理解这个问题,但在人类诞生之前呢?整个宇宙都是一团弥漫的概率波吗?现在,量子物理学家们这样解释猫处于即生又死的悖论问题,那就是物质和物质之间只要发生了相互作用,那么概率波就会塌缩成一个经典物理学中的实在,并不需要一个具有主观意识的外部观察者,猫自己就是一个观察者,整个薛定谔猫实验的装置本身就可以自己观察自己,并不需要有一个人来打开箱子观察猫是死是活。当然,这样的解释未必能说服所有人。
图示:不管是否打开箱子看,猫都不会真的处于生和死的叠加态之中,结果是明确的。只要你抛弃必须由一个拥有主观意识的人去看才算进行了观察或观测这样的哲学观念就行。
更有兴趣的网友们,可以继续往下看。
真相只有一个?在凶杀案中,只要一个人能够提供自己不在犯罪现场的客观证据,那么至少被害者就不会是这个人亲手杀死的,至于是否雇凶杀人,那是另一回事。在现实世界中,你不能同时即在A地又在B地。
图示:在量子世界里真相不止一个,而可能是无限多个。
但这样的经验和直觉在量子世界中被打破了,单电子双缝实验,似乎就在说电子同时穿过了两条狭缝,它就是同时处于两个位置。通过巧妙的实验设计,可以让一个系统逐个释放电子,让这些电子通过两条紧挨着的狭缝,最终电子会在屏幕上形成特殊的干涉图案,对此的唯一解释只能是,每个电子都同时地穿过了两条狭缝。
图示:一个接一个的释放电子得到的图案,和一次性的释放大量电子得到的图案是一样的。
在一次性的释放大量电子或光子中得到的干涉样图案,是用爱因斯坦提出的波粒二象性来解释的,光子即是粒子又是波,它们彼此间发生波峰波谷的干涉,于是出现规律的明暗条纹。但是单光子或单电子实验得到同样的实验结果,就让人不知所措了。
爸爸在哪儿,喔不,是电子在哪儿?真相不止一个让我们回顾一下原子的构成:原子核和电子,电子绕着原子核旋转,就像行星绕着其恒星运动一样。而且电子分层排布,低能电子靠近原子核,高能电子远离原子核。
图示:经典物理学视角下的电子和原子核关系。
当低能量电子吸收一个光子后,会发生轨道跳跃,从内层轨道跳跃到外层轨道,而当它从外层轨道跃迁回到内层轨道时,就会释放一个光子。
图示:电子和光子,电子的跃迁。
高能量光子(X射线,伽马射线)伤害人体的原理也和电子的跃迁有关,如果光子能量足够高,这个电子吸收光子能量后,甚至就能直接逃脱原子核的吸引,原子或分子就变成了少了电子的正离子,这个过程被称为电离,能引发电离的辐射,就是医院X光检查、CT检查室外面那个吓人的标志,电离辐射危险标志。
如果物理学对原子的研究到此为止,那么一切都会非常和谐。
但不幸的是,1926年,奥地利物理学家薛定谔在一次度假滑雪的时候,突然领悟“天机”,写出了让他得到诺贝尔物理学奖的薛定谔波函数方程,但也正是他亲手写下的这个方程,参与葬送了曾经美好、和谐的量子世界,从此让量子世界变得光怪陆离,并且引发了当时顶级的物理学家们的大分裂,形成了两大阵营,一个以波尔为首,另一个以爱因斯坦为首的对垒,而薛定谔自己也站在了爱因斯坦身后,反对由他自己提出的波函数方程背后隐藏着的哲学寓意。
图示:薛定谔的波函数方程,这方程是大学物理学生的噩梦。
薛定谔的波函数是个绝妙的方程,它描述了量子世界中那些亚原子粒子的行为和属性,以及它具有的所有可能的状态,包含了诸如能量、动量和位置等信息。但是薛定谔本人的确并未透彻地理解他亲手写下的波函数方程的物理学意义,他坚持认为这表明作为粒子的电子并不存在,波尔提出的电子轨道也不存在,电子不是一个粒子,电子只是一个弥漫的电子波,后来又被称为电子云。
图示:薛定谔提出的电子云概念和波尔提出的电子轨道的概念有很大的冲突
解决这个难题的方案,引发了极大的争论,间接导致经典物理学世界观在量子世界的坍塌,在这里主宰经典宏观物理学世界的因果律让位于概率。按照波尔的说法,电子轨道是波函数方程中电子出现概率最大的区域。但的确电子就是可以出现在任何地方,你还可以用薛定谔的波函数方程计算它们出现在任意位置的概率,但只要你对电子进行观测,那么它就会从无处不在的波,塌缩到某一个特定的位置上。
当然按照海森堡测不准定律,你得到的电子位置越是准确,你测量到的电子的动量就越不准确,两者相乘恰好等于普朗克常数,一般性的理解是说,因为观测本身就会影响到亚原子粒子的状态。但由此带来一个哲学问题,那么在未观察前呢,未观察前电子会拥有确切的位置和确切的动量吗?这正是经典物理学的概念,宏观物体的位置和动量不依赖于我们的观察,它们是客观存在的,而波尔倡导的哥本哈根学派则从哲学上提出,海森堡测不准定律是量子世界的本性,当我们不去观察量子世界时,电子也同样不具有一个客观的具体的位置和特定的动量,所有这一切都只是概率。
1927年,索尔维物理学会议,最顶尖的物理学家们分裂成三大阵营,但这次分裂奇妙地促进了量子物理学大发展,毕竟你的敌人越强,你还能赢,说明你真的很牛逼。图示:1927年,物理学家全明星队代表,如果三体中的智子真的存在,它只需要抹去这些人,我们现在所拥有的大多数高端技术就会消失得无影无踪。这些人都是打开量子物理学大门的关键人物,但开门之后所见到的一切,让他们分裂成了三个阵营,这其实是一件幸事。
从普朗克开启的量子时代发展到后期,形成了三个流派:
1、只关心实验结果的实验派,以布拉格和康普顿为代表
2、哥本哈根学派,由波尔开创,波恩和海森堡为左右臂膀
3、反哥本哈根学派:爱因斯坦为领袖,德布罗意和薛定谔为左膀右臂
后来因为对量子物理学抛弃因果律,而绝望自杀的另一个奥地利物理学家埃仑费斯特,在这次会议中,写信告诉他的弟子们:爱因斯坦就像一个弹簧玩偶,每天早上都带着新的主意(新的思想实验)从盒子里弹出来,向波尔发出质疑。而玻尔总能从云雾缭绕的哲学和物理学中找到合适的工具,把爱因斯坦的思想实验,一个接一个的碾碎。
爱因斯坦和波尔的主要分歧就在于:
1、量子世界中是否存在经典物理学中的客观实在,波尔认为不存在
2、经典物理学的因果律在量子世界中是否还继续存在,波尔认为不存在
爱因斯坦老人家有句名言:上帝不掷骰子。但其后数十年的研究证实,上帝真的在掷骰子,而且有时候还把骰子扔到看不见的地方去呢。
图示:决定论 vs. 概率论
新一代物理学家很快就厌倦了这场哲学争论,他们积极投身到量子世界的奇妙旅程中,只关心实验结果,不关心结果背后隐藏的世界观的物理学家们获得了一个又一个惊人的成果,并且迅速转变为改变现实的技术,如核弹、原子能技术、半导体、计算机等等,如今我们使用的许多技术都奠基在量子物理学的发展之中。
但在这场论战中,爱因斯坦提出了著名的“量子纠缠"悖论,当时波尔使用:
未观察前并不存在两个分开的粒子,是观察才得到两个粒子,因此不论这两个粒子相隔多远,它们都是一个整体,而不是独立的两个粒子,这可以解决在量子纠缠悖论中,信息将以超光速传播这样的难题,因为这将违背狭义相对论。
图示:我国研发的量子纠缠卫星,实现远达上千公里的量子纠缠,这个技术据认为是终极信息加密术。
有趣的是,量子纠缠竟然成真了,随着技术的发展,曾经想象中的量子纠缠现象已经被证实,这大概是爱因斯坦和波尔之争最重要的一个收获。有趣的是量子纠缠现象不是由波尔为首的量子物理学家们想到的,这就是争论的价值和意义了。
薛定谔揪住量子纠缠不放,提出了让波尔为首这一学派的物理学家非常尴尬的生死猫论。当波尔坚持用没有观察就是概率,就没有经典力学中的客观实在来应对爱因斯坦的量子纠缠悖论的时候,薛定谔提出了著名的猫论。用这只想象中的猫的生死叠加态悖论来追问波尔,以波尔为代表的哥本哈根学派当时只能犟着脖子说:在观察之前猫就是处于既生又死的叠加态之中。至于这个既生又死的叠加态究竟是一个什么样的体验和感受,那就是另一回事了。
薛定谔的这只猫,真的”逼疯“了许多量子物理学家,霍金就曾经说过,当他第一次听说薛定谔的猫悖论时,他的第一个反应就是,拿上一把枪,将这个该死的猫彻底弄死算球。
图示:解决猫生死叠加悖论的简单方法是扩大观察/观测的概念,不是说只有人去看才算数,其实整个试验系统自己就在进行观察,所谓观察就是物质的相互作用,在这个实验中,检查中子是否释放的盖革计数器就是一个观察者,而正是它决定了猫究竟是死还是活。
希望我写得足够清楚明白,如果你反而更糊涂了,那是我的错,不是猫的错 :)5. 原子核复式结构?
核式原子结构是1911年由卢瑟福提出的一种原子结构模型。核式原子结构认为:原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域,叫原子核,电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电,电子带负电。 在卢瑟福提出其核式原子结构之前,汤姆逊提出了一个被称为“枣糕式”的电子模型。该模型认为,原子的带正电部分是一个原子那么大的、具有弹性的冻胶状的球,正电荷均匀地分布着,在这球内或球上,有负电子嵌着。这些电子能在它们的平衡位置上作简谐运动。观察到的原子所发出的光谱的各种频率认为就相当于这些振动的频率。
建立过程
英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)1895年来到英国卡文迪许实验室,跟随汤姆逊学习,成为汤姆逊第一位来自海外的研究生。卢瑟福好学勤奋,在汤姆逊的指导下,卢瑟福在做他的第一个实验——放射性吸收实验时发现了α射线。
在德国的学生汉斯·盖革(Hans Geiger,1882-1945))发明了计算带电微粒数量的“计数管”后,卢瑟福所领导的曼彻斯特实验室对α粒子性质的研究得到了迅速的发展。 1910年马斯登(E.Marsden,1889-1970)来到曼彻斯特大学,卢瑟福让他用α粒子去轰击金箔,做练习实验,利用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。在实验过程中,卢瑟福和他的学生们发现了大量小角度散射的粒子以及极为少数的大角度散射以及反射回来的微粒。
用汤姆逊的实心带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角散射,但对大角度散射无法解释。 卢瑟福经过仔细的计算和比较,发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内,α粒子穿过单个原子时,才有可能发生大角度的散射。也就是说,原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内。在这个假设的基础上,卢瑟福进一步计算了α散射时的一些规律,并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。
卢瑟福提出的原子模型也就是我们所说的核式原子结构模型。该模型像一个太阳系,带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”,支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说,原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上,而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时,就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。
面临困难
卢瑟福的核式原子结构模型准确地反应了原子内部结构的基本形态,然而核式结构还是遇到了困难。核式结构认为原子内部电子是做轨道运动,无法解释观测到的原子所发出的各种光谱的频率。此外,原子内部的电子不断向外辐射能量必然会导致电子轨道的缩小最终与原子核所带的正电子中和,事实并非如此。
6. 盖革计数器哪个公司的?
盖革计数器是由德国的盖革公司(G?rtner Gmbh)生产和销售的。盖革公司是一家专业从事计数器和测量仪器生产的公司,成立于1920年,总部位于德国斯图加特。盖革计数器是该公司的主打产品之一,主要应用于工业和科学领域的计数和测量工作,具有精度高、可靠性强、使用方便等优点。该公司一直致力于研发和生产高品质的计数器和测量仪器,产品畅销世界各地,并受到广泛赞誉和信赖。
7. 我们看到的宇宙会不会是一个扭曲的黑洞?
第四十一章:薛定谔的猫是不存在的!
在量子力学中,有一个假想实验,叫薛定谔的猫。想必大家都听说过,可是你仔细思考过这个问题吗? 薛定谔的猫究竟存不存在?薛定谔的猫究竟是死还是活? 这个问题的本质是什么?
薛定谔猫是奥地利物理学者埃尔温·薛定谔于1935年提出的一个思想实验。通过这思想实验,薛定谔指出了应用量子力学的哥本哈根诠释于宏观物体会产生的问题,以及这问题与物理常识之间的矛盾。在这思想实验里,由于先前发生事件的随机性质,猫会处于生存与死亡的叠加态。
根据退相干理论,猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态,由于环境的影响,很快地会产生退相干效应,猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态,因此,一般而言,绝对无法观察到这生存与死亡的叠加态。
1935年,薛定谔原本目的是在用这思想实验来讨论EPR吊诡(因发表者阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森而命名)。EPR论文凸显了量子纠缠的怪异性质。假设两个量子系统相互作用,然后彼此分离,但其中任意系统都不处于明确态,则它们的量子态会叠加在一起,共同形成的量子态具有量子纠缠特性。
根据哥本哈根诠释,当其中任意系统被测量之时,则两个系统纠缠在一起的量子态会坍缩为明确态。那时,薛定谔与爱因斯坦常互相通信,交换意见,研讨EPR论文的相关问题。
在爱因斯坦写给薛定谔的8月8日信件中,他勾勒出一个“粗略宏观案例”:给定一桶不稳定的火药,在经过一段时间后,这桶火药会处于爆炸与不爆炸的叠加状态。
为了更进一步说明这现象,薛定谔回信描述原则上怎样能够将原子系统的叠加态转移至大尺度系统。
他提出一个思想实验,假设把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。猫的性命因此与原子核的状态密切相关。
薛定谔表明,根据哥本哈根诠释,在实验进行一段时间后,猫会同时处于活状态与死状态(对于盒子外的世界而言),直到盒子被打开为止。
薛定谔并不想要推销周旋于生死之间的猫这点子;恰恰相反,这吊诡采用的是一种经典反证法,试图借此显露出描述量子态所需倚赖的量子理论尚存瑕疵。
薛定谔的原文是这样的:实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器(注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰):在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质,在一小时内,这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%,它没有任何原子衰变的概率也同样为50%;假若衰变事件发生了,则盖革计数管会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。
经过一小时以后,假若没有发生衰变事件,则猫仍旧存活;否则发生衰变,这套机构被触发,氰化氢挥发,导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。
类似这典型案例的众多案例里,原本只局限于原子领域的不明确性被以一种巧妙的机制变为宏观不明确性,只有通过打开这个箱子来直接观察才能解除这样的不明确性。
它使得我们难以如此天真地接受采用这种笼统的模型来正确代表实体的量子特性。就其本身的意义而言,它不会蕴含任何不清楚或矛盾的涵义。但是,在一张摇晃或失焦的图片与云堆雾层的快照之间,实则有很大的不同之处。
上面是薛定谔的原文思想,关于这个问题的回答,有很多个版本。在这里我不重述这些版本内容,内容太多。
但我强调人要做的事情是什么呢?是将复杂的问题简单化。
在这个问题上,人要将问题简单化,必须有这么几个前提。细心的朋友会注意到,其实我在本书第二章,就有提到过关于玻尔和爱因斯坦的争论。我说:“上帝让人类掷骰子。”
其话意思是上帝不掷骰子,真正掷骰子的是人!! 所以人一定要小心,而且自信。
那么回答我开头所提到的问题:薛定谔的猫究竟是死还是活?是半死不活的叠加态吗?
答案是很明确的:猫不可能是死和活的叠加态!必须不可能!
如果承认猫是死和活的叠加态,那么我们现实中的所有人,也都是处于这样的状态。
为什么猫不可能处于死和活的叠加态? 如果你注意薛定谔实验设想,你就知道,这个实验是不可能。
薛定谔说:把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器(注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰)。
这是他开头的第一句话。试问大家猫会不会影响到仪器? 猫是有辐射的,万物皆有辐射。所以就不能避免影响。第一点就不能保证。
外部环境也是这样的。一开头就写道了:根据退相干理论,猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态,由于环境的影响,很快地会产生退相干效应,猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态,因此,一般而言,绝对无法观察到这生存与死亡的叠加态。”
这是开头的介绍,我认为还不够精确。应该说猫从来就没有处于过活和死的叠加态。
什么叫退相干性原理,定义是这样的:在量子力学里,开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失,这效应称为量子退相干。
量子退相干是量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果。由于量子相干性而产生的干涉现象会因为量子退相干而变得消失无踪。量子退相干促使系统的量子行为变迁成为经典行为,这过程称为“量子至经典变迁”。
德国物理学者汉斯·泽贺(英语:Heinz Zeh)最先于1970年提出量子退相干的概念。自1980年以来,量子退相干已成为热门研究论题。
实际而言,不存在孤立系统,特别是不存在孤立宏观系统,通过某种方式,每个量子系统都会持续地与外在环境耦合,发生量子纠缠,从而形成纠缠态。因此,量子退相干可以视为存在于量子系统内部的相干性随着时间流易而退定域(delocalize)至量子系统与环境所组成的纠缠系统,换句话说,量子系统内部的几个成分彼此之间的相位关系,会逐渐地退定域至整个系统,也就是说,量子系统的相位信息会持续地泄露至环境,从而有效地促使伴随着相干性的干涉现象消失无踪。
量子退相干能够解释为什么不会观察到干涉现象,但是,量子退相干能否解释波函数坍缩的后果,这论题至今仍旧存在巨大争议,一个很重要的原因就是,很难将这论题跟量子力学的诠释做分割,而人们各自有各自青睐的诠释。
量子退相干不是一种量子力学诠释,而是利用量子力学分析获得的结果。它严格遵守量子力学,并没有对量子力学的基础表述做任何修改。很多完成的量子实验已证实量子退相干的存在与正确性。
所以薛定谔所描述的实验,是无法隔绝微扰的。一般大家会讨论的是观测者对实验的影响,仪器对实验的影响等等,其实就是这个原因。
好了,这一点现在确定了,从内到外,都不能保持实验系统的独立性。在这个基础上我们才能进行讨论。
但是其实讨论已经缺乏必要性,因为已经不再符合薛定谔的描述。这就是为什么猫不可能处于生和死的叠加态。
那么猫会处于什么状态? 将问题转化,简单化。盒子是透明的,猫换成人。
有人会问,这样可以换吗? 我反问:盒子的颜色对实验有影响吗?人是生命吗?
即使这样,我再问你:“下一分钟猫是死的还是活的?” 你也不能给我确定回答,得到了下一分钟才知道情况。但答案一定是要么活,要么死,不可能是两者的叠加态。
但这一秒,猫是活还是死,观测者是看的到的。
把猫换成人,其实没多大的本质意义,不是为了让人自己发出信号。说他活着或要死了。而且让人去思考,你在里面真的可以体验到那种“生和死的叠加态吗?”
还有一些科学家,学者提出多世界观点,来解释薛定谔的猫。看过我科普书籍《变化》的朋友肯定知道,我是持反对意见的。
这只是想象力的问题,不是现实的问题。高维度空间值得怀疑,大家可以去读读我在《变化》中的论述。
所以世界可以存在的想象之中,但想象之中的世界不是现实世界。如果想象世界等于事实,那么世界上就不会存在问题。
比如就薛定谔的猫来说,有一个人无所不知,记住这个人无所不知!
那么薛定谔的猫是死,还是活,你什么时候问他,他都能给你确定的答案。
听懂了吗,各位。如果想象世界等于事实,那么世界上就不会存在问题。
但现实世界问题众多,就像维特斯坦思考的那样:世界是怎么存在的这不奇怪,奇怪的是世界为什么存在着?
很多问题,现在不回答。比如量子世界与宏观世界的间隔界限标准是什么?
现在不能回答,不代表这个世界是不确定的。我一直说世界是确定的。量子世界也是确定的!上帝让人类掷骰子。我说的是事实,我传递的是希望。
我们知道不确定性的概率,难道这不是一种确定吗? 我们知道世界是确定的,我们不能回答某个问题,是因为我们无法掌握全部系统的每一个要素和每一个要素之间的关联。
贝尔不等式,即任何关于定域隐变数的物理理论无法复制量子力学的每一个预测。给了我们很大启发。也就是说不存在完备隐变量理论。所以也就打破了薛定谔最初设想薛定谔猫的意图。
在我的认识里,宇宙还是一个开放的系统,所以全部掌握这个系统是一个无限挑战。但世界是确定无疑的。
人类发展史,印证了这一点。所以我赞同马克思的认识论观点。人要相信自己才会获得成长,否则就会迷失。
对于现在的我们,我们这样的年轻人,更应该是这样。薛定谔猫很真实。大家要相信它的真实。而不是它又是活,同时还死。
我记得在文章中,我说过如果我们赞同猫是处于死和活的叠加态,那么我们也处于这样的状态。
我们生活在地球上,地球不是一个盒子吗?在地球上触发大的核爆是可能的。 那么我们是处于什么状态?? 你现在是活,还是死?你不知道吗?
这就是我为什么要将猫换成人。猫换成人没有本质区别,但人具有主观思考。
可是我在上面还说了,人一定要小心,且自信。 是因为人有主观的一面。就拿热来说,“热”这个词不是客观的,是主观的。“热现象”是客观的。对于人类来说是热,对于石头来说,热是什么也没有的感觉。
同一个事物,可以有不同的称谓。伴侣有人叫老婆,有人叫贱内,有人叫婆姨,还有人叫baby。
一切科学都可以上升到哲学层次做总结认识,但一切哲学认识需要用语言来表述。所以这是件很值得谨慎的事情。所以有语言哲学这样的研究,我认为很必要。
读到这里本章的内容思想,已经表达的很清楚了。但少了一些逻辑的表述。在理解薛定谔猫的时候,很多人会把叠加态和混合态混了。所以从这一方面,感谢兴趣的可以继续阅读下文。
量子系统所处的任何一个量子态,都有多种方法分解为若干其他量子态的叠加,就好像一个向量总是有多种方法分解为若干向量一样。
如果一个量子态S可以分解为量子态X和Y的叠加,可以写成S=aX+bY(a和b是两个复数系数)。
再次提醒,这种分解有N多种方法:S = aX+bY = a'X'+b'Y'+c'Z'+... 学过向量加法的同学们应该知道,S虽然可以写成X和Y的线性叠加,但S显然既不是X也不是Y,说S既是X又是Y也不对,甚至说S部分处于X,部分处于Y也非常不合适,因为S在任何不跟S正交的量子态上都有非零的分量。
事实上,S是一个跟X和Y都不同的新的量子态。如果你选取了一组正交完备的量子态作为基向量,那么任何一个量子态S都可以在这组基向量上做唯一的分解。
这种正交完备的基向量组的选择也不是唯一的,有无穷多种不同的选择。
那么什么是混合态呢?如果系统处于某个明确的量子态,但我们却不知道到底是哪一个,只知道系统可能以一定的概率分布处于若干量子态之一,那么这种情况下我们说体系处于这若干量子态的概率混合,简称混合态。
但必须明确一点,混合态不是量子态,只是若干量子态上的一个概率分布。一个处于混合态的系统的实际量子态完全是明确的,只是我们这些观察者并不知道具体是哪一个而已,这跟前面解释的叠加态的含义完全不同。
量子力学实验中所谓的测量,就是让『被测量子体系』跟『仪器+观察者+环境』这个大系统发生相互作用。
由于后者是个硕大无比的宏观体系,其具体的量子态信息我们根本就不可能了解,所以我们根本就没可能明确计算测量后被测体系到底会进入测量方式所选定的哪一个基向量上,只能做统计预测。
而统计预测的规则很简单:测量后被测体系量子态进入基向量X的概率,正比于测量前被测体系的量子态S在基向量X上投影长度的平方,这就是量子力学中的测量原理。
早年人们在对这个原理的理解很糊涂,导致了波尔和爱因斯坦在这个原理的诠释上旷日持久到死都没结果的争论。后来有人做了贝尔不等式的实验,实验结果不支持爱因斯坦关于量子力学局域完备性性的观点,但却被大量错误地引申成了玻尔战胜了爱因斯坦。
事实上玻尔对测量原理提出的哥本哈根诠释在贝尔不等式的实验中根本就不涉及。
还有一件事,做量子力学实验,通常要将被测量子体系与仪器环境的相互作用彻底隔离,相互间连热交换都不能有,否则在测量之前被测体系的状态就已经乱掉了。
虽然某些实验中如果相互作用非常微弱也可以通过一些手段纠正消除环境干扰,但尽可能地隔绝环境相互作用是非常必要的。隔离个把原子不长的时间是比较容易做到的,目前也可以隔离病毒尺度的物体,尺度越大隔离就越难。
把像猫,老鼠,人等这么大的东西跟外部环境几乎彻底隔绝,是不可想象的。上面提到退相干性,大家肯定记得。
如果不能做到几乎是完美的隔离,那么被测体系根本就不可能处于那组基向量的叠加态,也就谈不上什么薛定谔猫佯谬了。这就是为什么薛定谔猫佯谬提出之后大家始终在争论却一直没办法直接进行试验验证的原因。
接下来的讨论中我们暂且假定在技术上终于能够满足上述隔离要求。下面我们就可以开始谈薛定谔猫这个思想实验了。
虽然在打开盒子之前,盒内体系时刻都处于明确的量子态,但由于这个系统仍然很巨大,所以我们并没有办法对结果做出明确的预测,只能谈概率。因此在打开盒子之前,猫要么已经被杀死,要么没有被杀死,但并不会处于某种“不死不活”或“稀里糊涂”的量子态。
这就是本章的内容,希望可以解开你薛定谔猫的迷惑。
摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》
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1. 盖革计数管,盖革辐射计数器可以无限使用吗?
1. 不可以无限使用。2. 盖革辐射计数器是一种用于测量辐射水平的仪器,其工作原理是通过探测辐射粒子的能量来计数辐射量。然而,辐射计数器的探测器材料会随着时间的推移而老化,导致探测效果下降,从而影响测量的准确性。此外,辐射计数器也需要定期校准和维护,以确保其正常工作。3. 为了保证辐射计数器的准确性和可靠性,使用者应定期检查和更换探测器材料,进行校准和维护工作。同时,使用者还应遵守辐射安全操作规程,避免长时间暴露在高辐射环境中,以保护自身安全。
2. 请问人类如何做到发射一个光子?
按照经典的麦克斯韦电磁学,光是一种电磁波,是一个交变的电磁场,在真空中的传播速度是30万公里每秒,这也是物质传播速度的极限。
●我们通常所说的光,是指肉眼可见的电磁波,它的波长在380~780纳米之间。
但是,实际上有些动物可以看到波长更长的电磁波。比如说狗就可以看到一部分红外线之外的电磁波,所以在一些黑暗的森林里面,狗会提前发现危险。
但是,纯粹用电磁波的理论,有一些物理现象,没办法解释,比如说光电效应。
光照射到金属上的时候,可以让金属释放出电子,但是电子的发射情况只和光的波长有关,和光照射强度没有关系。
爱因斯坦因为用量子效率正确的解释了光电效应,在1921年获得了诺贝尔奖。
量子力学对于电磁波的解释:电磁波是大量光子的统计效应。
光子的能量量子数对应于电磁波的电场分量,而频率量子数对应于电磁波的磁场分量。
按照量子力学,每一颗光子都有固定的能量,这就好像每一个玻璃球都有固定的大小一样。
假如有一大堆的玻璃球装在一个袋子里面,我们怎么样每一次都恰好挤出一个玻璃球呢?
那么,按照这种生活常识中的经验,逻辑应该是这样的:控制这个出口的大小,恰好能够通过一个玻璃球,挤出一个玻璃球以后,立刻关闭这个出口。
发射一个单光子,也可以按照这样的逻辑。
也就是说,我们恰好让发射光子的机器,能够输出一个光子具备的能量。
光子的能量完全取决于它的波长或频率,因为光以光速传播,我们可以用波长的任一频率来描述它。
光子的能量可以通过普朗克方程是E=h*c/λ=h*f计算得到。
其中:E是光子的能量,h是普朗克常数,c是光速,λ是光子的波长,f是光子的频率,普朗克常数h=6.6261×10−34焦耳。
单光子的能量是很小的,因为普朗克常数非常小。波长为520nm的绿光单光子的能量为2.38ev。
由于单光子含有的能量很小,而且尺度也很小,这就增加了控制上的困难。
我们挤出玻璃球的时候,肉眼可以看到玻璃球,但是我们发射光子时,没有办法看到光子的大小,因为你不可能用一束光去观察光。
所以,我们发射光子的时候,先控制时间,通过时间控制发射能量,来得到一个单光子。
这也可以用波长来控制,这两者是等价的。
一个激光发射器的功率,除以单光子的功率乘以一秒钟,就是所需要的时间。这个时间会非常、非常、非常的短暂。
理论上,用极短时间的激光脉冲可以产生单光子。但是也有可能产生多个光子,为了屏蔽掉多余的光子,会通过一条很窄的缝,让光场强度在空间上形成弗朗禾费衍射分布,正对缝的正中间照射到一个量子点,激发原子核外电子。核外电子从高能级向低能级回跳的时候,就会发射出一个光子。
通过缩短激光脉冲的时间,并且调整弗朗禾费衍射光场分布,可以恰好让一个光子的能量落在正中间的原子激发点位上。
通过这个原子激发点位发射出来的光子,就是单光子。
相比较于发射一个单光子,检测一个单光子要容易得多。
让发射装置透过一个45度倾斜放置的半反射半透膜,当光子打在这个半反射半透膜上,只有两种可能性:50%概率穿过,50%概率被反射。
所以,穿越端和反射端不可能同时检测到光子。
只要每一次的激光脉冲,只有一端可以检测到光子,就证明了这是一个单光子。
这样我们就得到了一个可以发射单光子的实验装置,可以用它来做被称为很恐怖的量子延迟选择实验,以及量子擦除实验。
3. 盖格管是什么?
盖革管(Geiger tube),也称盖革计数器,是一种用于探测辐射的电子器件。
它是由德国物理学家Hans Geiger和他的学生Walter Munk在19世纪末和20世纪初发明的。
盖革管的工作原理是利用放射性物质放射出的电离辐射,使得管内的气体电离,产生正、负离子。这些离子在电场的作用下运动,产生电流信号,经过放大和计数后,就可以测量出放射线的强度。盖革管广泛应用于核物理、宇宙射线探测、医学、环境保护等领域。
4. 为什么少有人做薛定谔的猫这个实验?
这是个思想实验,是薛定谔用来反驳波尔对量子世界的哲学观的一个悖论,属于哲学范畴,并不属于科学实验的范畴。
图示:薛定谔的猫,按照波尔为首的哥本哈根学派来说,它必然行走在奇妙的生死叠加态之中,而这显然是个悖论,如何解决这个悖论,成为量子物理学后来发展的一个哲学难题。
在哥本哈根学派的哲学观念中,在量子世界里,只有被观察/观测之后,物质才真实存在,在未进行观察之前,它们并不真实存在,这里的真实是指经典物理学中那种真实,严格说就是在未被观测之前,物质以概率波的形式存在,只有在进行观察之后,概率波才会发生塌缩,塌缩成一个经典物理学上的实体。将这样的观念延伸出来,就会得到薛定谔的猫悖论(悖论就是在观察之前,猫是处于生死叠加态吗?),还会得到另一个在大众中不太著名的另一个悖论:
当我们不看(看就是一种观测)月亮时,月亮还存在吗?
图示:当我们不看月亮时,月亮也会变成一个随机弥散在时空中的概率波吗?只有当我们观察它时,它才会塌缩成一个经典物理学上的实在的月亮呢?
而这里的核心问题是,只有人类的看或测量才是观察吗?
在哥本哈根学派的初期解释中,以波尔为代表的量子物理学家就是这么理解的,包括现在许多物理学家或物理学爱好者也这么理解这个问题,但在人类诞生之前呢?整个宇宙都是一团弥漫的概率波吗?现在,量子物理学家们这样解释猫处于即生又死的悖论问题,那就是物质和物质之间只要发生了相互作用,那么概率波就会塌缩成一个经典物理学中的实在,并不需要一个具有主观意识的外部观察者,猫自己就是一个观察者,整个薛定谔猫实验的装置本身就可以自己观察自己,并不需要有一个人来打开箱子观察猫是死是活。当然,这样的解释未必能说服所有人。
图示:不管是否打开箱子看,猫都不会真的处于生和死的叠加态之中,结果是明确的。只要你抛弃必须由一个拥有主观意识的人去看才算进行了观察或观测这样的哲学观念就行。
更有兴趣的网友们,可以继续往下看。
真相只有一个?在凶杀案中,只要一个人能够提供自己不在犯罪现场的客观证据,那么至少被害者就不会是这个人亲手杀死的,至于是否雇凶杀人,那是另一回事。在现实世界中,你不能同时即在A地又在B地。
图示:在量子世界里真相不止一个,而可能是无限多个。
但这样的经验和直觉在量子世界中被打破了,单电子双缝实验,似乎就在说电子同时穿过了两条狭缝,它就是同时处于两个位置。通过巧妙的实验设计,可以让一个系统逐个释放电子,让这些电子通过两条紧挨着的狭缝,最终电子会在屏幕上形成特殊的干涉图案,对此的唯一解释只能是,每个电子都同时地穿过了两条狭缝。
图示:一个接一个的释放电子得到的图案,和一次性的释放大量电子得到的图案是一样的。
在一次性的释放大量电子或光子中得到的干涉样图案,是用爱因斯坦提出的波粒二象性来解释的,光子即是粒子又是波,它们彼此间发生波峰波谷的干涉,于是出现规律的明暗条纹。但是单光子或单电子实验得到同样的实验结果,就让人不知所措了。
爸爸在哪儿,喔不,是电子在哪儿?真相不止一个让我们回顾一下原子的构成:原子核和电子,电子绕着原子核旋转,就像行星绕着其恒星运动一样。而且电子分层排布,低能电子靠近原子核,高能电子远离原子核。
图示:经典物理学视角下的电子和原子核关系。
当低能量电子吸收一个光子后,会发生轨道跳跃,从内层轨道跳跃到外层轨道,而当它从外层轨道跃迁回到内层轨道时,就会释放一个光子。
图示:电子和光子,电子的跃迁。
高能量光子(X射线,伽马射线)伤害人体的原理也和电子的跃迁有关,如果光子能量足够高,这个电子吸收光子能量后,甚至就能直接逃脱原子核的吸引,原子或分子就变成了少了电子的正离子,这个过程被称为电离,能引发电离的辐射,就是医院X光检查、CT检查室外面那个吓人的标志,电离辐射危险标志。
如果物理学对原子的研究到此为止,那么一切都会非常和谐。
但不幸的是,1926年,奥地利物理学家薛定谔在一次度假滑雪的时候,突然领悟“天机”,写出了让他得到诺贝尔物理学奖的薛定谔波函数方程,但也正是他亲手写下的这个方程,参与葬送了曾经美好、和谐的量子世界,从此让量子世界变得光怪陆离,并且引发了当时顶级的物理学家们的大分裂,形成了两大阵营,一个以波尔为首,另一个以爱因斯坦为首的对垒,而薛定谔自己也站在了爱因斯坦身后,反对由他自己提出的波函数方程背后隐藏着的哲学寓意。
图示:薛定谔的波函数方程,这方程是大学物理学生的噩梦。
薛定谔的波函数是个绝妙的方程,它描述了量子世界中那些亚原子粒子的行为和属性,以及它具有的所有可能的状态,包含了诸如能量、动量和位置等信息。但是薛定谔本人的确并未透彻地理解他亲手写下的波函数方程的物理学意义,他坚持认为这表明作为粒子的电子并不存在,波尔提出的电子轨道也不存在,电子不是一个粒子,电子只是一个弥漫的电子波,后来又被称为电子云。
图示:薛定谔提出的电子云概念和波尔提出的电子轨道的概念有很大的冲突
解决这个难题的方案,引发了极大的争论,间接导致经典物理学世界观在量子世界的坍塌,在这里主宰经典宏观物理学世界的因果律让位于概率。按照波尔的说法,电子轨道是波函数方程中电子出现概率最大的区域。但的确电子就是可以出现在任何地方,你还可以用薛定谔的波函数方程计算它们出现在任意位置的概率,但只要你对电子进行观测,那么它就会从无处不在的波,塌缩到某一个特定的位置上。
当然按照海森堡测不准定律,你得到的电子位置越是准确,你测量到的电子的动量就越不准确,两者相乘恰好等于普朗克常数,一般性的理解是说,因为观测本身就会影响到亚原子粒子的状态。但由此带来一个哲学问题,那么在未观察前呢,未观察前电子会拥有确切的位置和确切的动量吗?这正是经典物理学的概念,宏观物体的位置和动量不依赖于我们的观察,它们是客观存在的,而波尔倡导的哥本哈根学派则从哲学上提出,海森堡测不准定律是量子世界的本性,当我们不去观察量子世界时,电子也同样不具有一个客观的具体的位置和特定的动量,所有这一切都只是概率。
1927年,索尔维物理学会议,最顶尖的物理学家们分裂成三大阵营,但这次分裂奇妙地促进了量子物理学大发展,毕竟你的敌人越强,你还能赢,说明你真的很牛逼。图示:1927年,物理学家全明星队代表,如果三体中的智子真的存在,它只需要抹去这些人,我们现在所拥有的大多数高端技术就会消失得无影无踪。这些人都是打开量子物理学大门的关键人物,但开门之后所见到的一切,让他们分裂成了三个阵营,这其实是一件幸事。
从普朗克开启的量子时代发展到后期,形成了三个流派:
1、只关心实验结果的实验派,以布拉格和康普顿为代表
2、哥本哈根学派,由波尔开创,波恩和海森堡为左右臂膀
3、反哥本哈根学派:爱因斯坦为领袖,德布罗意和薛定谔为左膀右臂
后来因为对量子物理学抛弃因果律,而绝望自杀的另一个奥地利物理学家埃仑费斯特,在这次会议中,写信告诉他的弟子们:爱因斯坦就像一个弹簧玩偶,每天早上都带着新的主意(新的思想实验)从盒子里弹出来,向波尔发出质疑。而玻尔总能从云雾缭绕的哲学和物理学中找到合适的工具,把爱因斯坦的思想实验,一个接一个的碾碎。
爱因斯坦和波尔的主要分歧就在于:
1、量子世界中是否存在经典物理学中的客观实在,波尔认为不存在
2、经典物理学的因果律在量子世界中是否还继续存在,波尔认为不存在
爱因斯坦老人家有句名言:上帝不掷骰子。但其后数十年的研究证实,上帝真的在掷骰子,而且有时候还把骰子扔到看不见的地方去呢。
图示:决定论 vs. 概率论
新一代物理学家很快就厌倦了这场哲学争论,他们积极投身到量子世界的奇妙旅程中,只关心实验结果,不关心结果背后隐藏的世界观的物理学家们获得了一个又一个惊人的成果,并且迅速转变为改变现实的技术,如核弹、原子能技术、半导体、计算机等等,如今我们使用的许多技术都奠基在量子物理学的发展之中。
但在这场论战中,爱因斯坦提出了著名的“量子纠缠"悖论,当时波尔使用:
未观察前并不存在两个分开的粒子,是观察才得到两个粒子,因此不论这两个粒子相隔多远,它们都是一个整体,而不是独立的两个粒子,这可以解决在量子纠缠悖论中,信息将以超光速传播这样的难题,因为这将违背狭义相对论。
图示:我国研发的量子纠缠卫星,实现远达上千公里的量子纠缠,这个技术据认为是终极信息加密术。
有趣的是,量子纠缠竟然成真了,随着技术的发展,曾经想象中的量子纠缠现象已经被证实,这大概是爱因斯坦和波尔之争最重要的一个收获。有趣的是量子纠缠现象不是由波尔为首的量子物理学家们想到的,这就是争论的价值和意义了。
薛定谔揪住量子纠缠不放,提出了让波尔为首这一学派的物理学家非常尴尬的生死猫论。当波尔坚持用没有观察就是概率,就没有经典力学中的客观实在来应对爱因斯坦的量子纠缠悖论的时候,薛定谔提出了著名的猫论。用这只想象中的猫的生死叠加态悖论来追问波尔,以波尔为代表的哥本哈根学派当时只能犟着脖子说:在观察之前猫就是处于既生又死的叠加态之中。至于这个既生又死的叠加态究竟是一个什么样的体验和感受,那就是另一回事了。
薛定谔的这只猫,真的”逼疯“了许多量子物理学家,霍金就曾经说过,当他第一次听说薛定谔的猫悖论时,他的第一个反应就是,拿上一把枪,将这个该死的猫彻底弄死算球。
图示:解决猫生死叠加悖论的简单方法是扩大观察/观测的概念,不是说只有人去看才算数,其实整个试验系统自己就在进行观察,所谓观察就是物质的相互作用,在这个实验中,检查中子是否释放的盖革计数器就是一个观察者,而正是它决定了猫究竟是死还是活。
希望我写得足够清楚明白,如果你反而更糊涂了,那是我的错,不是猫的错 :)5. 原子核复式结构?
核式原子结构是1911年由卢瑟福提出的一种原子结构模型。核式原子结构认为:原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域,叫原子核,电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电,电子带负电。 在卢瑟福提出其核式原子结构之前,汤姆逊提出了一个被称为“枣糕式”的电子模型。该模型认为,原子的带正电部分是一个原子那么大的、具有弹性的冻胶状的球,正电荷均匀地分布着,在这球内或球上,有负电子嵌着。这些电子能在它们的平衡位置上作简谐运动。观察到的原子所发出的光谱的各种频率认为就相当于这些振动的频率。
建立过程
英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)1895年来到英国卡文迪许实验室,跟随汤姆逊学习,成为汤姆逊第一位来自海外的研究生。卢瑟福好学勤奋,在汤姆逊的指导下,卢瑟福在做他的第一个实验——放射性吸收实验时发现了α射线。
在德国的学生汉斯·盖革(Hans Geiger,1882-1945))发明了计算带电微粒数量的“计数管”后,卢瑟福所领导的曼彻斯特实验室对α粒子性质的研究得到了迅速的发展。 1910年马斯登(E.Marsden,1889-1970)来到曼彻斯特大学,卢瑟福让他用α粒子去轰击金箔,做练习实验,利用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。在实验过程中,卢瑟福和他的学生们发现了大量小角度散射的粒子以及极为少数的大角度散射以及反射回来的微粒。
用汤姆逊的实心带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角散射,但对大角度散射无法解释。 卢瑟福经过仔细的计算和比较,发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内,α粒子穿过单个原子时,才有可能发生大角度的散射。也就是说,原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内。在这个假设的基础上,卢瑟福进一步计算了α散射时的一些规律,并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。
卢瑟福提出的原子模型也就是我们所说的核式原子结构模型。该模型像一个太阳系,带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”,支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说,原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上,而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时,就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。
面临困难
卢瑟福的核式原子结构模型准确地反应了原子内部结构的基本形态,然而核式结构还是遇到了困难。核式结构认为原子内部电子是做轨道运动,无法解释观测到的原子所发出的各种光谱的频率。此外,原子内部的电子不断向外辐射能量必然会导致电子轨道的缩小最终与原子核所带的正电子中和,事实并非如此。
6. 盖革计数器哪个公司的?
盖革计数器是由德国的盖革公司(G?rtner Gmbh)生产和销售的。盖革公司是一家专业从事计数器和测量仪器生产的公司,成立于1920年,总部位于德国斯图加特。盖革计数器是该公司的主打产品之一,主要应用于工业和科学领域的计数和测量工作,具有精度高、可靠性强、使用方便等优点。该公司一直致力于研发和生产高品质的计数器和测量仪器,产品畅销世界各地,并受到广泛赞誉和信赖。
7. 我们看到的宇宙会不会是一个扭曲的黑洞?
第四十一章:薛定谔的猫是不存在的!
在量子力学中,有一个假想实验,叫薛定谔的猫。想必大家都听说过,可是你仔细思考过这个问题吗? 薛定谔的猫究竟存不存在?薛定谔的猫究竟是死还是活? 这个问题的本质是什么?
薛定谔猫是奥地利物理学者埃尔温·薛定谔于1935年提出的一个思想实验。通过这思想实验,薛定谔指出了应用量子力学的哥本哈根诠释于宏观物体会产生的问题,以及这问题与物理常识之间的矛盾。在这思想实验里,由于先前发生事件的随机性质,猫会处于生存与死亡的叠加态。
根据退相干理论,猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态,由于环境的影响,很快地会产生退相干效应,猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态,因此,一般而言,绝对无法观察到这生存与死亡的叠加态。
1935年,薛定谔原本目的是在用这思想实验来讨论EPR吊诡(因发表者阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基、纳森·罗森而命名)。EPR论文凸显了量子纠缠的怪异性质。假设两个量子系统相互作用,然后彼此分离,但其中任意系统都不处于明确态,则它们的量子态会叠加在一起,共同形成的量子态具有量子纠缠特性。
根据哥本哈根诠释,当其中任意系统被测量之时,则两个系统纠缠在一起的量子态会坍缩为明确态。那时,薛定谔与爱因斯坦常互相通信,交换意见,研讨EPR论文的相关问题。
在爱因斯坦写给薛定谔的8月8日信件中,他勾勒出一个“粗略宏观案例”:给定一桶不稳定的火药,在经过一段时间后,这桶火药会处于爆炸与不爆炸的叠加状态。
为了更进一步说明这现象,薛定谔回信描述原则上怎样能够将原子系统的叠加态转移至大尺度系统。
他提出一个思想实验,假设把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。猫的性命因此与原子核的状态密切相关。
薛定谔表明,根据哥本哈根诠释,在实验进行一段时间后,猫会同时处于活状态与死状态(对于盒子外的世界而言),直到盒子被打开为止。
薛定谔并不想要推销周旋于生死之间的猫这点子;恰恰相反,这吊诡采用的是一种经典反证法,试图借此显露出描述量子态所需倚赖的量子理论尚存瑕疵。
薛定谔的原文是这样的:实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器(注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰):在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质,在一小时内,这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%,它没有任何原子衰变的概率也同样为50%;假若衰变事件发生了,则盖革计数管会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。
经过一小时以后,假若没有发生衰变事件,则猫仍旧存活;否则发生衰变,这套机构被触发,氰化氢挥发,导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。
类似这典型案例的众多案例里,原本只局限于原子领域的不明确性被以一种巧妙的机制变为宏观不明确性,只有通过打开这个箱子来直接观察才能解除这样的不明确性。
它使得我们难以如此天真地接受采用这种笼统的模型来正确代表实体的量子特性。就其本身的意义而言,它不会蕴含任何不清楚或矛盾的涵义。但是,在一张摇晃或失焦的图片与云堆雾层的快照之间,实则有很大的不同之处。
上面是薛定谔的原文思想,关于这个问题的回答,有很多个版本。在这里我不重述这些版本内容,内容太多。
但我强调人要做的事情是什么呢?是将复杂的问题简单化。
在这个问题上,人要将问题简单化,必须有这么几个前提。细心的朋友会注意到,其实我在本书第二章,就有提到过关于玻尔和爱因斯坦的争论。我说:“上帝让人类掷骰子。”
其话意思是上帝不掷骰子,真正掷骰子的是人!! 所以人一定要小心,而且自信。
那么回答我开头所提到的问题:薛定谔的猫究竟是死还是活?是半死不活的叠加态吗?
答案是很明确的:猫不可能是死和活的叠加态!必须不可能!
如果承认猫是死和活的叠加态,那么我们现实中的所有人,也都是处于这样的状态。
为什么猫不可能处于死和活的叠加态? 如果你注意薛定谔实验设想,你就知道,这个实验是不可能。
薛定谔说:把一只猫关在一个封闭的铁容器里面,并且装置以下仪器(注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰)。
这是他开头的第一句话。试问大家猫会不会影响到仪器? 猫是有辐射的,万物皆有辐射。所以就不能避免影响。第一点就不能保证。
外部环境也是这样的。一开头就写道了:根据退相干理论,猫不可能永远处于生存与死亡的叠加态,由于环境的影响,很快地会产生退相干效应,猫改而处于生存或死亡的经典统计学状态,因此,一般而言,绝对无法观察到这生存与死亡的叠加态。”
这是开头的介绍,我认为还不够精确。应该说猫从来就没有处于过活和死的叠加态。
什么叫退相干性原理,定义是这样的:在量子力学里,开放量子系统的量子相干性会因为与外在环境发生量子纠缠而随着时间逐渐丧失,这效应称为量子退相干。
量子退相干是量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果。由于量子相干性而产生的干涉现象会因为量子退相干而变得消失无踪。量子退相干促使系统的量子行为变迁成为经典行为,这过程称为“量子至经典变迁”。
德国物理学者汉斯·泽贺(英语:Heinz Zeh)最先于1970年提出量子退相干的概念。自1980年以来,量子退相干已成为热门研究论题。
实际而言,不存在孤立系统,特别是不存在孤立宏观系统,通过某种方式,每个量子系统都会持续地与外在环境耦合,发生量子纠缠,从而形成纠缠态。因此,量子退相干可以视为存在于量子系统内部的相干性随着时间流易而退定域(delocalize)至量子系统与环境所组成的纠缠系统,换句话说,量子系统内部的几个成分彼此之间的相位关系,会逐渐地退定域至整个系统,也就是说,量子系统的相位信息会持续地泄露至环境,从而有效地促使伴随着相干性的干涉现象消失无踪。
量子退相干能够解释为什么不会观察到干涉现象,但是,量子退相干能否解释波函数坍缩的后果,这论题至今仍旧存在巨大争议,一个很重要的原因就是,很难将这论题跟量子力学的诠释做分割,而人们各自有各自青睐的诠释。
量子退相干不是一种量子力学诠释,而是利用量子力学分析获得的结果。它严格遵守量子力学,并没有对量子力学的基础表述做任何修改。很多完成的量子实验已证实量子退相干的存在与正确性。
所以薛定谔所描述的实验,是无法隔绝微扰的。一般大家会讨论的是观测者对实验的影响,仪器对实验的影响等等,其实就是这个原因。
好了,这一点现在确定了,从内到外,都不能保持实验系统的独立性。在这个基础上我们才能进行讨论。
但是其实讨论已经缺乏必要性,因为已经不再符合薛定谔的描述。这就是为什么猫不可能处于生和死的叠加态。
那么猫会处于什么状态? 将问题转化,简单化。盒子是透明的,猫换成人。
有人会问,这样可以换吗? 我反问:盒子的颜色对实验有影响吗?人是生命吗?
即使这样,我再问你:“下一分钟猫是死的还是活的?” 你也不能给我确定回答,得到了下一分钟才知道情况。但答案一定是要么活,要么死,不可能是两者的叠加态。
但这一秒,猫是活还是死,观测者是看的到的。
把猫换成人,其实没多大的本质意义,不是为了让人自己发出信号。说他活着或要死了。而且让人去思考,你在里面真的可以体验到那种“生和死的叠加态吗?”
还有一些科学家,学者提出多世界观点,来解释薛定谔的猫。看过我科普书籍《变化》的朋友肯定知道,我是持反对意见的。
这只是想象力的问题,不是现实的问题。高维度空间值得怀疑,大家可以去读读我在《变化》中的论述。
所以世界可以存在的想象之中,但想象之中的世界不是现实世界。如果想象世界等于事实,那么世界上就不会存在问题。
比如就薛定谔的猫来说,有一个人无所不知,记住这个人无所不知!
那么薛定谔的猫是死,还是活,你什么时候问他,他都能给你确定的答案。
听懂了吗,各位。如果想象世界等于事实,那么世界上就不会存在问题。
但现实世界问题众多,就像维特斯坦思考的那样:世界是怎么存在的这不奇怪,奇怪的是世界为什么存在着?
很多问题,现在不回答。比如量子世界与宏观世界的间隔界限标准是什么?
现在不能回答,不代表这个世界是不确定的。我一直说世界是确定的。量子世界也是确定的!上帝让人类掷骰子。我说的是事实,我传递的是希望。
我们知道不确定性的概率,难道这不是一种确定吗? 我们知道世界是确定的,我们不能回答某个问题,是因为我们无法掌握全部系统的每一个要素和每一个要素之间的关联。
贝尔不等式,即任何关于定域隐变数的物理理论无法复制量子力学的每一个预测。给了我们很大启发。也就是说不存在完备隐变量理论。所以也就打破了薛定谔最初设想薛定谔猫的意图。
在我的认识里,宇宙还是一个开放的系统,所以全部掌握这个系统是一个无限挑战。但世界是确定无疑的。
人类发展史,印证了这一点。所以我赞同马克思的认识论观点。人要相信自己才会获得成长,否则就会迷失。
对于现在的我们,我们这样的年轻人,更应该是这样。薛定谔猫很真实。大家要相信它的真实。而不是它又是活,同时还死。
我记得在文章中,我说过如果我们赞同猫是处于死和活的叠加态,那么我们也处于这样的状态。
我们生活在地球上,地球不是一个盒子吗?在地球上触发大的核爆是可能的。 那么我们是处于什么状态?? 你现在是活,还是死?你不知道吗?
这就是我为什么要将猫换成人。猫换成人没有本质区别,但人具有主观思考。
可是我在上面还说了,人一定要小心,且自信。 是因为人有主观的一面。就拿热来说,“热”这个词不是客观的,是主观的。“热现象”是客观的。对于人类来说是热,对于石头来说,热是什么也没有的感觉。
同一个事物,可以有不同的称谓。伴侣有人叫老婆,有人叫贱内,有人叫婆姨,还有人叫baby。
一切科学都可以上升到哲学层次做总结认识,但一切哲学认识需要用语言来表述。所以这是件很值得谨慎的事情。所以有语言哲学这样的研究,我认为很必要。
读到这里本章的内容思想,已经表达的很清楚了。但少了一些逻辑的表述。在理解薛定谔猫的时候,很多人会把叠加态和混合态混了。所以从这一方面,感谢兴趣的可以继续阅读下文。
量子系统所处的任何一个量子态,都有多种方法分解为若干其他量子态的叠加,就好像一个向量总是有多种方法分解为若干向量一样。
如果一个量子态S可以分解为量子态X和Y的叠加,可以写成S=aX+bY(a和b是两个复数系数)。
再次提醒,这种分解有N多种方法:S = aX+bY = a'X'+b'Y'+c'Z'+... 学过向量加法的同学们应该知道,S虽然可以写成X和Y的线性叠加,但S显然既不是X也不是Y,说S既是X又是Y也不对,甚至说S部分处于X,部分处于Y也非常不合适,因为S在任何不跟S正交的量子态上都有非零的分量。
事实上,S是一个跟X和Y都不同的新的量子态。如果你选取了一组正交完备的量子态作为基向量,那么任何一个量子态S都可以在这组基向量上做唯一的分解。
这种正交完备的基向量组的选择也不是唯一的,有无穷多种不同的选择。
那么什么是混合态呢?如果系统处于某个明确的量子态,但我们却不知道到底是哪一个,只知道系统可能以一定的概率分布处于若干量子态之一,那么这种情况下我们说体系处于这若干量子态的概率混合,简称混合态。
但必须明确一点,混合态不是量子态,只是若干量子态上的一个概率分布。一个处于混合态的系统的实际量子态完全是明确的,只是我们这些观察者并不知道具体是哪一个而已,这跟前面解释的叠加态的含义完全不同。
量子力学实验中所谓的测量,就是让『被测量子体系』跟『仪器+观察者+环境』这个大系统发生相互作用。
由于后者是个硕大无比的宏观体系,其具体的量子态信息我们根本就不可能了解,所以我们根本就没可能明确计算测量后被测体系到底会进入测量方式所选定的哪一个基向量上,只能做统计预测。
而统计预测的规则很简单:测量后被测体系量子态进入基向量X的概率,正比于测量前被测体系的量子态S在基向量X上投影长度的平方,这就是量子力学中的测量原理。
早年人们在对这个原理的理解很糊涂,导致了波尔和爱因斯坦在这个原理的诠释上旷日持久到死都没结果的争论。后来有人做了贝尔不等式的实验,实验结果不支持爱因斯坦关于量子力学局域完备性性的观点,但却被大量错误地引申成了玻尔战胜了爱因斯坦。
事实上玻尔对测量原理提出的哥本哈根诠释在贝尔不等式的实验中根本就不涉及。
还有一件事,做量子力学实验,通常要将被测量子体系与仪器环境的相互作用彻底隔离,相互间连热交换都不能有,否则在测量之前被测体系的状态就已经乱掉了。
虽然某些实验中如果相互作用非常微弱也可以通过一些手段纠正消除环境干扰,但尽可能地隔绝环境相互作用是非常必要的。隔离个把原子不长的时间是比较容易做到的,目前也可以隔离病毒尺度的物体,尺度越大隔离就越难。
把像猫,老鼠,人等这么大的东西跟外部环境几乎彻底隔绝,是不可想象的。上面提到退相干性,大家肯定记得。
如果不能做到几乎是完美的隔离,那么被测体系根本就不可能处于那组基向量的叠加态,也就谈不上什么薛定谔猫佯谬了。这就是为什么薛定谔猫佯谬提出之后大家始终在争论却一直没办法直接进行试验验证的原因。
接下来的讨论中我们暂且假定在技术上终于能够满足上述隔离要求。下面我们就可以开始谈薛定谔猫这个思想实验了。
虽然在打开盒子之前,盒内体系时刻都处于明确的量子态,但由于这个系统仍然很巨大,所以我们并没有办法对结果做出明确的预测,只能谈概率。因此在打开盒子之前,猫要么已经被杀死,要么没有被杀死,但并不会处于某种“不死不活”或“稀里糊涂”的量子态。
这就是本章的内容,希望可以解开你薛定谔猫的迷惑。
摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》
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