量子物理如何影響我們對巨集觀物理性質的理解?

時間 2021-05-12 06:57:01

1樓:Morningstar

學完量子力學後我也曾思考過這個問題。巨集觀物理性質的概念非常廣泛,巨集觀物體的任何一種非化學手段發生變化的特點都可以歸為一種巨集觀物理性質。

量子物理影響巨集觀性質理解的最典型例子是熱力學量。以孤立系統的熵為例:對於乙個與外界沒有相互作用的孤立系統,其能量守恆,對應系統哈密頓為常數。

如果只用經典力學方法,計算系統的哈密頓就要知道其中每個分子的動量和位矢。其中的乙個氣體分子擁有動量和位矢兩個引數,同時還有總自由度r,如果整個系統有N個這樣的全同分子,就需要Nr個動量和Nr個位矢來描述整個系統。可以用乙個2Nr維向量來記錄系統此時的狀態,然後張成乙個2Nr維線性空間(相空間),用能量守恆方程在相空間中對應曲面上的一條曲線相來表示系統在全部時間內的演化過程。

但由於經典力學中動量和位矢是連續變化的,這個代表系統所有狀態的曲面上有無窮多個點,表示系統有無窮多個微觀態,說明此時談論系統的熵並沒有物理意義。但量子力學表明,氣體分子的動量和位矢不能同時測量,它們滿足不確定性原理。量子物理和經典物理的差別在於,量子物理認為相空間是不連續的,且可以分解成一些小體積元。

順著這個思路,假設此時不確定性原理的等式成立,則系統的曲面可以被劃分成有限個小區域,這樣系統的微觀態就變為了可數的,能計算出乙個熵來。實際上如果只用經典力學,類似的無窮大將出現在所有巨集觀熱力學量的計算裡,但使用量子物理則可以避免這些無窮大,進而計算出與實驗相符的壓強、溫度等巨集觀熱力學量。所以熱力學巨集觀物理性質是與系統中分子的量子動力學方程密切相關的,這些巨集觀熱力學性質體現出了量子物理的統計規律。

另乙個不典型的例子是引力。由於引力和其他三種相互作用相比非常弱,除去宇宙誕生之初和黑洞內部,目前我們接觸的所有微觀客體之間的引力性質都不能被探測到。因此,雖然引力是普遍的物理性質,但影響到實驗的引力性質仍可以歸為巨集觀物理性質的一種。

按照廣義相對論,引力被看作時空背景的彎曲,引力性質與時空幾何密切相關。從經典理論的角度看,物質使得時空彎曲,同時彎曲時空又約束物質的運動,微觀粒子在彎曲時空中沿測地線運動。而量子物理則認為,我們應該拋棄「軌道」一類的概念,由於不確定性原理,微觀粒子在引力場中的運動不一定由廣義相對論得到的測地線描述。

這樣一來,微觀粒子的不確定性運動方式導致粒子附近時空背景不確定性變化,而不確定性變化的時空反過來又使得微觀粒子的運動與經典理論更加背離,這可以定性地說明量子物理對引力性質理解造成影響。以Hartle-Hawking的量子化方法為例:用路徑積分方法將廣義相對論量子化,可以得到Wheeler-DeWitt方程。

從路徑積分的角度看,觀測前的時空幾何可以取任意形式,不同的時空幾何有不同的概率幅,而實際觀測到的時空則是其中的一種幾何結構,廣義相對論所描述的時空幾何則是其中概率最大的一種。在這種量子化方法中,代表引力性質的時空觀已經在廣義相對論的基礎上產生了深刻的變革,如果愛因斯坦還活著,肯定會因為這種想法把辦公室弄得煙霧瀰漫。

其實在固體物理中能找到更多的典型例子,由於我不了解材料科學和凝聚態物理,就不多提了。

2樓:楊學志

量子物理只對我們對巨集觀物理性質的理解有潛在影響。我們業已形成的對巨集觀物體的表象認知,在量子力學出現之後,不會發生改變。

不能以量子的微觀行為去模擬巨集觀物體的性質。

所有的模擬,以及造成的疑惑,都是邏輯混亂的結果。

量子物理學對學高中物理有用嗎?

qfzklm 沒有,因為根本不在考綱裡呀。但是考綱裡會涉及到舊量子論的東西。比如光電效應,康普頓散射,玻爾模型,黑體輻射等。基本上解題套路就是量子化條件加上經典物理守恆律。 仗劍走天涯 量子物理對高中物理競賽沒什麼用。狹義相對論可能對競賽有些幫助。高中階段還是先學好經典物理吧。經典力學,經典電動力學...

量子物理和相對論對現代生活的影響有哪些?

學術流氓速成法 這樣,我來補充乙個吧,你覺得磁現象普遍嗎?如果普遍的話,那麼我現在也可以這樣告訴你,磁學現象也是一種相對論效應,相對論就在我們身邊。 yan shen 火星探測如果沒有相對論就不可能實現,從地球傳送探測器去火星,就好比從上海扔個籃球到拉薩的籃球場上,還要空心入籃,難度可想而知。 補充...

物理成績不太好,但是對量子物理有興趣,有什麼研究路線嗎?

何傑 跟你談談我的經歷吧!我高中學的理科,當初選文理科時,其實我的文科除了語文課不太好,其他什麼歷史,地理都接近滿分。文科老師都希望我選擇文科,但是我因為對物理感興趣,就選擇了理科,當時物理成績很100分,最多只能考六七十分,大學選專業時按照自己的興趣報考了某211高校的理論物理專業,大學期間因為大...