没人能懂量子热学
“我想我可以肯定地说没有人了解量子热学。”
这是理查德·费曼常常挂在嘴里的一句话。
理查德·费曼在他的课堂上
事实上这句话他说得并不无道理,作为20世纪最知名的化学学家之一,同时还是20世纪最受欢迎的科学家之一。
费曼对化学学的了解以及对量子热学的探求都让他对这个世界进一步加深了自己想法,不过就他本人来讲,放松并享受自然才是真正的乐趣所在。
关于量子热学的公式
费曼对知识的那个纯粹的视野给数学界乃至社会阶级都带来了很大的影响。
对事物的理解要足够透彻,要有特别深刻的看法。
他觉得,假如不能相当简单的解释某件事,这么就没有真正的理解它。
知其然,更要知其所以然,这是费曼一概贯之的精神。
费曼对化学学界的贡献十分多
费曼的成名于1965年获得诺贝尔奖开始,最开始是康奈尔学院,再是加洲理工大学。
费曼从液态氦的超流体转向了他最有价值的贡献,量子电动热学。
而他的知名论文《量子热学中的最小作用原理》也给人们带去了新视野。
格莱克强调,量子热学和狭义相对论并存,虽然在量子化学学发展的几六年后,费曼也一直才能提出一种新的解释,即路径极分公式。
该公式考了粒子在两点之间的所有可能轨迹。
洛斯阿拉莫斯实验室,费曼在第二排左四
据悉,他还发明了以他名子命名的“费曼图”。这些以图形的方法表示了粒子的行为,正是他的研究让人们可以直观地观察到正电子是怎么像电子一样在时间上倒退的。
可以说,现代数学学在粒子研究和量子化学这块的建立,费曼也有一部份功劳。
费曼在过去能有这样的成就,与他小时候跟母亲的交流有关。
费曼图的正电子湮灭
费曼的妈妈鼓励他提出各类问题来挑战传统思维,但同时也会为费曼进行解答,让他获取新的知识。
母亲对知识的传授十分饱满,这让费曼明白了要了解一件事物必须清楚地明白它的作用原理。
后来这份精神也确实贯策到了他的求学生涯中,但是在他还是小孩的时侯便表现出特别高的工程天赋。
这也影响了他后来对专业的选择,维修无线电、拆解电子物品,了解原理和过程……
这为他后来初期的理论化学研究打下了一定基础,从这一时期开始,费曼便早已把握从理论上剖析问题,并得到解决方案的能力。
费曼很享受解开知识奥秘的过程
量子理论
现代数学步入量午时代后,量子理论不能挺好地处理引力这一问题成为让大多数科学家头痛的问题。
量子热学是将离散粒子建立为科学家确定检测之前的存在机率状态。
不仅量子热学,广义相对论也为引力提供了一个可靠的理论模型和参考,但是才能让科学家确切地预测小型物体的运动。
虽然这两个理论各自都能在宇宙描述方面有着不错的叙述,而且只要将这两个理论结合到一起,事情都会显得很难办。
要想研究在原子尺度上的重力是一件十分棘手的事情,简单来讲,与自然界中的其他基本力相比,引力互相作用表现下来的弱点一个巨大的问题。
量子热学与广义相对论能够统一?
最简单的一个反例,就算是两个电子之间的精典力也超过了两公斤质量,二者之间的引力差了几个数目级的引力。
1957年,费曼构想了一个实验,便于在二者之间找到一个联系点。
他想像一个小质量物体存在于两个地方之间的机率或叠加,将其置于引力场中,质量应当会与引力的量子特点联系上去。
这则是后来人们常常所说的纠缠现象量子纠缠通讯,干扰本身会造成质量采取单一的、特定的位置或方式。
这将在质量从场中分离下来之前发生,所以通过这些方式来检测,可以测量到量子引力。
量子纠缠的表现
不过量子纠缠特别的“邪门”,两个粒子中的一个粒子运动改变会迅速影响到另一个地方的,假如通过观察才能得到两个粒子的变化结果。
并且不去观察粒子本身,结果哪些也不会出现,而且不观察就得不到数据,而观察到的数据并不是真实可靠的。
虽然科学家在过去进行过无漏洞版的贝尔测试,其中纠缠的两个粒子分别做检测的时间间隔。
虽然比光传播于两个检测位置所需的时间间隔还要短暂时,这些现象依然会发生。
也就是说,量子纠缠的作用速率比光速还快,科学家的实验显示,量子纠缠的作用速率起码比光速快10000倍。
而这仅仅只是量子纠缠的速率基本表现,由于依据相关理论来看,检测时的效应还具备瞬时性。
也就是说,当我们检测两个处于纠缠状态的粒午时,一个改变,另一个会顿时发生改变。
不过须要明白的是,这些效应不能用作超光速传输精典信息,换句话说它们并不具备有效信息,因而也并不违背因果律。
量子纠缠会被观察所影响
粒子的纠缠
但是为何量子纠缠会在现代数学学中无解呢?
因为费曼提出的实验中没有直接检测纠缠,它不会提供量子引力的直接证据。
科学家表示,通过量化两个质量并将它们纠缠在一起,就可以直接测量到量子引力量子纠缠通讯,每位质量都将叠加并发生纠缠。
正如爱因斯坦、罗森等人发觉的那样,纠缠的出现几乎是瞬时的,一旦我们了解了一种量子态,便会手动晓得任何纠缠粒子的量子态。
不同量子态氢原子的电子机率密度
原则上来讲,我们可以将两个纠缠的粒子置于银河系两端。
正如上面提及,我们可以在刹那间能够通过其中一个粒子的状态了解到另一个。
如同是从纸盒上面掏出双脚的衣服,这么我们很自然地能够明白,剩下的那只鞋一定是右脚。
化学学家对这种公式也很难受
而且两个相距甚远的粒子为什么才能表现出这么奇特的状态呢?
且不说我们能否顿时了解它们,它们的运作虽然也遵守了光速的极限。
这正是明天科学家所苦恼的地方,这也被称为EPR悖论。
爱因斯坦将其称为远距离的幽灵行动,它用这个悖论作为量子理论不完整的一个根据。
但事实证明,纠缠状态的粒子确实会互相影响,无论距离怎样,量子热学至今无法得到验证。
虽然纠缠系统不保持局部性原理,但它并没有违反因果律,这意味着结果总是有诱因的。
爱因斯坦称为幽灵的作用
远处的粒子观察者不晓得本地观察者是否搅乱了这个纠缠系统,反之亦然,她们必须以不超过光速的速率互相交换信息能够确认。
换句话说,光速的限制依旧适用于量子纠缠中,这也是一开始文中所指出的。
有好多种方式可以纠缠粒子,一种技巧是冷却粒子并将它们放得足够近,这样便能使它们出现重叠,从而代表位置的不确定性,由此难以分辨一个粒子和另一个粒子。
另外还有一种可能通过亚原子形成的过程,比如核衰变,这会手动形成纠缠粒子。
依据NASA的说法,它也可以通过分裂单个光子并在这一过程中形成一对光子。
假如说量子纠缠未来的应用,其实当下最热门的便是量子通讯技术。
量子纠缠就能应用到信息加密中,在这些情况下,发送者和接收者会构建一个安全的通讯链路,其中包括一对纠缠粒子。
量子通讯才能进行化学加密
发送者可以和接收者使用纠缠粒子生成的密匙进行信息读取,一旦有其他“观察者”出现在其中,纠缠都会立即终端,由于检测纠缠粒子会改变其中的状态。
传递这样一条微小的信息还有好多工作要打算,随着未来人们对量子热学的进一步阐述和发觉,其实这个谜团会成功解开。