是否存在肉眼可見的現象,需要令人滿意地解釋量子力學?我正在尋找一種定量的牛頓蘋果。
是否存在肉眼可見的現象,需要令人滿意地解釋量子力學?我正在尋找一種定量的牛頓蘋果。
使用棱鏡(或衍射光柵,如果有的話)將來自熒光燈泡的光分解。您會看到一堆單獨的線,而不是連續的顏色帶。這來自於原子和分子中離散的能級,這是量子力學的結果。
如果您所想的聽眾更加先進,那麼您可以提出紫外線災難經典力學。傳統上,溫度有限的物體往往會輻射出無限量的能量。量子力學解釋了我們實際看到的強度與波長的關係曲線。
對日常量子事件的反思
從某種意義上說,很難不懂日常生活中的量子力學。例如,複雜化學的存在和普通物質所佔的體積都是所謂的保利排斥的直接後果。這是一條量子法則,要求宇宙中的每個電子都保持唯一的地址,該地址由其在空間中的位置(三個數字),動量(對於相同質量的電子或多或少的速度以及三個數字)組成,並且還有一個奇怪的叫旋轉方向(二進制,向上或向下)。當帶負電的電子通過原子核的正吸引緊密地堆積在一起時,這些唯一的尋址規則會導致電子在原子周圍佔據獨特的位置和方向(化學),並且在一定範圍內不被擠壓在一起點(體積)。
化學中的原子鍵-沒有它,我們將不在這裡討論! -如果沒有關於上下旋轉的最後一個奇怪的地址規則,它將在很大程度上消失。通過具有相反的自旋,兩個電子共享同一空間的能力使某些原子能夠通過提供一個遠離家鄉的舒適共享地址而從其他原子竊取電子,這種化學上的作用稱為離子鍵合。在其他情況下,上下配對規則使一對電子可以被兩個原子平均共享,這也稱為共價鍵。
眼見為實
但是,我認為您的問題確實更多地集中在尋找“需要量子力學的肉眼可見的現象”,並且您想要的東西比大簡單地總結許多非常小的量子事件的大規模影響。我懷疑您是在希望自己的眼睛能看到,而無需配備充滿異國情調的設備的實驗室。
這些事情確實存在。實際上,您很可能在今天早上直接看了一個例子。它們被稱為鏡子。
也就是說,拋光金屬能夠反射周圍世界的精美精確圖像,而大多數(並非全部!)其他物質是深色,暗淡或透明的。一種大規模的量子事件,與實驗室Bose冷凝物之類的奇異物種一樣奇特。這是一個熟悉會產生冷漠的經典例子:金屬反射是如此常見且易於觀察,以至於我們忘記了它是多麼的奇特和非經典。
為真實而疏遠 >
那為什麼金屬反射會深處量子?
實際上,它是多種形式的量子。第一步是您必須將大量電子發送到一種奇怪的替代形式的空間中,其中尋找電子的坐標係不再由三個空間方向組成,而必須表示為動量的三個方向。
電子如何在普通空間中“丟失”?它們到達那裡的方式令人驚訝地簡單而普通:在金屬中,某些電子被賦予自由在金屬的整個體積中自由運動的自由。就是說,金屬原子堅定地相信他們的一些電子子在整個社區範圍內共享,只要它們自身的電子確實確實離得很遠,只要其他電子保持足夠的距離以抵消它,它們就不會在意。他們的正電荷。
直到您意識到電子是如此之輕以至於不能忽略量子力學,漫遊電子才不會聽起來那麼異常。量子力學對非常輕的物體的作用是使它們的量子描述開始佔據它們所漫遊的金屬的整個體積。也就是說,與其將電子像巨大的經典物體那樣向後移動並跨越整個晶體,不如將不受干擾和自由漫遊的電子最精確地表示為同時位於金屬的所有位置。
嘗試用您的汽車拉這個花招!
請問您的地址是什麼?
但是,因為在任何給定的金屬中,超輕共享電子都在做同樣的“我無處不在!”同時,我前面提到的地址問題引起了一個問題:宇宙中的每個電子必須必須有一個完全唯一的地址。
如果這些丟失的電子全部在同一塊金屬上共享空間,這意味著它們在普通空間中也共享基本相同的位置(即使是奇數個)……而這根本不會實現。這意味著金屬中的每個此類電子都必須找到某種新的方式來維持宇宙中的唯一“地址”。上下選項有幫助,但僅允許兩個電子共享同一地址。因此,剩下的唯一選擇是使電子開始爬入剩下的唯一坐標集,這就是速度和方向(速度)的不同範圍,稱為動量空間。
現在,我應該指出,從具有XYZ坐標的普通空間的角度觀察此過程時,爬入動量空間的電子看起來就像它們都在獲得不同的速度,這聽起來並沒有那麼奇特。但是對於電子進入動量空間,其觀點確實是非常不同的。這是主要原因:電子進入動量空間後,它們實際上可以相互碰撞,就像水分子填充普通空間中的容器一樣。動量空間的所有顛簸和爭吵都迫使電子散佈並在那裡佔據更多的空間,這與水分子在普通XYZ空間中的堆積方式極為相似。
Quantum Splish-Splash
實際上,電子在動量空間中四處竄動和擴散的過程與水分子填充容器的方式非常相似,因此金屬中的電子集合就是叫做 (順便說一句,考慮到物理學中所有以他為名的有趣的東西,Enrico Fermi一定有一個非常好的新聞代理為他工作。)這種動量空間液體甚至具有清晰的表面,就像
但是,請記住,從我們的角度來看,在普通XYZ空間中,堆積在動量空間中的電子似乎以不同的速度運動。這種等效性意味著在動量空間中更靠近費米海面的電子也必須在普通XYZ空間中移動得更快。實際上,對於像銀這樣的優質導體,費米海表面的電子最終的移動確實非常快。由於小物體的速度與我們稱之為熱是一樣的,這些電子最終會變得多熱(多熱)?
我們正在感到熱熱
好吧,如果費米海頂部的一塊大銀子中的電子突然失去了所有能量,它將以X射線的形式發射。爆炸是如此激烈,以至於附近的任何人都將被殺死。太熱了!幸運的是,對於珠寶佩戴者來說,這不可能完全發生,因為費米海中所有較低的電子都拒絕讓步。他們真的很喜歡動量空間中涼爽的位置,而且他們不會放棄!
在牆上鏡像
現在是時候了將所有這些帶回您的問題,即您是否可以在普通生命的規模上“看到”量子效應。
只要您看著普通的鏡子,量子魔術就會開始。一旦您做完了,就已經註視著從量子力學的角度來看在普通空間中並不存在的電子海洋。它們是我們最了解的XYZ空間中的“丟失”空間,在該空間中,它們的精確量子表示在某些情況下與反射鏡的整個表面一樣大。
大多數這些丟失的電子也是隱!這是因為我們看到的從反射鏡反射的光僅來自極少量的費米海電子,特別是僅來自費米海最頂部的極熱電子。這是因為它們是僅有的剩下任何一個“擺動室”來接受光子並與其捉住的電子。
這是怎麼回事:費米海面的電子可以接受光粒子,光子,並通過這種方式使自身加速更多。但是,與海底的電子不同,當表面的電子加速時,它會在費米海中形成“空點”。該過程與水飛濺到空氣中的方式非常相似,但是隨後意識到它下面不再有任何水以保持其支撐。與水中的水不同,表面上方的飛濺不穩定:它必須落回表面。
非常類似於水的飛濺,費米表面上的電子已經被入射光(光子)“散射”的在其下方沒有支撐物以將其保持在那裡。因此,它必須落回到費米海的表面。這樣做,它通過重新發射剛吸收的光子幾乎相同的形式來放棄它曾經如此短暫保持的光子能量。費米表面上的電子從光子的重新發射是反射的最小且最基本的單位,即構成較大規模反射的事件。
複雜性的簡單性
現在,這種重新發射的真正妙處在於,如果您的金屬光滑,一致且在表面上拋光,那麼每種這樣的重新發射效果最終都取決於兩者的高度對稱性。平坦的金屬表面及其光滑的費米電子海,導致發出的光子(或更確切地說,許多光子在整個表面上相互作用)以非常精確的方式出現,我們稱之為反射角。在這種情況下,以更複雜的數學為指導的許多複雜物理學最終都得到了非常簡單的結果,因此我們將其簡稱為反射。
最令人驚訝的是,這種簡單性完全取決於橫跨整個反射鏡的量子效應。它要求電子在普通空間中集體迷失方向,並在與我們通常所見的空間不一樣的空間中避難,但仍然允許它們相互碰撞。它們在這個特殊的動量空間中形成了一種液體,一片海洋顛倒了我們對“物體”或“液體”是什麼以及其行為方式的理解。這些隱藏的電子中最小的一小塊,然後在我們瀏覽其隱藏表面時向我們揮手,展示了他們通過協調的雜耍動作將光子向我們拋回時所達到的驚人速度,就像我們看到的那樣。鏡子,或閃閃發光的裝飾品之美,或一點點亮銀色或金色。
finale:花點時間反思一下
金屬反射是一種深層的量子事件,它是在人類規模上發生的,並且是唯一美麗而有用的事件。如果您在某個早晨發現自己的宇宙有些沉悶,那麼當您看著早晨的鏡子時,花一點時間向這個可愛的量子怪異打個招呼吧!並在您的反思中反映一點,以提醒您我們生活在一個非凡的宇宙中。
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附錄2015-06-20:作為量子的願景物理學
我必須添加一個大型量子現象的例子,該例子比鏡子離家更近。這是事實,您完全可以看到。
透鏡,包括您眼中的透鏡,都是深奧的量子裝置。如果不是為了將透鏡的大尺寸形狀進行量子力學轉換而轉換成用於指導微觀光(光子)如何傳播的指導,那麼您眼中的透鏡將像鋼一樣不透明,因此您不會閱讀本文。
問題是這樣的:由於光是以微小的類似於粒子的能量或光子的形式發射和接收的,因此經典物理學要求這些光子在這兩點之間傳播時仍是粒子。
並且那是個問題。畢竟,電磁光子如何穿過充滿富電子原子的透鏡,該透鏡應該以這種方式擊倒它,就像迷宮般令人難以置信的複雜性一樣,更不用說形成圖像了?它可能會在晶狀體最外層的原子層中反彈一會兒,但在丟失或吸收之前,它不可能穿透得更深。
量子力學使我們擺脫了量子悖論數學上,量子力學允許單個光子通過一種稱為“所有可能歷史的整合”的過程來“探索”透鏡的整個形狀。從經典的角度來看,此過程完全沒有意義,因為光子似乎已經從字面上探索了起點和終點之間的所有可能路徑。然後將這些虛擬探索以一種特殊的方式相加,以產生光子的波動函數,從而告訴哪條路徑束最有可能包含實際的光子。
這是虛擬的無限陣列光子路徑,允許單個光子“嗅出”透鏡的整體形狀和形式,例如您眼中的透鏡。考慮到單個光子中所包含的能量與巨大的人規模鏡頭相比非常少,這是一項了不起的成就。大致就像是將一支小筆電射入軌道,然後將其照到夜晚,從而“看到”整個地球的形狀。值得注意的是,每個光子都必須自己執行此操作,因為通過透鏡在光束中一一照射每個光子的結果與一次照射所有光子的結果相同。
最重要的是:使用普通光看到的每種反射,折射或透明形式幾乎都是量子力學的奇蹟。如果沒有光子“嗅出”鏡子,透鏡或窗戶(實際上只是平面透鏡)的大型形狀,而這些光子無法忽略這些物體的驚人復雜性,那麼這些影響就不會存在。而是關注它們的整體形狀和光學特性。
那麼,您需要走多遠才能看到日常生活中的量子效應?根本就不遠,因為用眼睛尋找這種效果的行為本身就具有深遠的意義。
您提到“裸眼”很有趣,因為您要做的就是閉上眼睛。事實證明,閉眼時看不到任何東西的原因是量子力學。
Sean Carroll很好地解釋了這一點:有很多黑體眼睛內部紅外線範圍內的輻射。即使此紅外光的總能量比通過我們的透鏡進入的可見光高得多,它也不會被受體吸收,因為根據量子力學,它只能被定量包裝(光子)吸收。而且每個光子沒有足夠的能量吸收。
磁性是一個很好的例子,您只能用量子力學來解釋自旋-自旋對準(請參閱交換相互作用),甚至可以證明 Bohr-Van leeuwen定理,指出沒有經典理論可以解釋磁體的工作原理。
參考:費曼的物理講座
您和您的環境仍然存在!如果不是量子力學,由於加速電子發出的輻射,由於古典力學中的原子不穩定,一切都會自發瓦解。
描述量子力學所需的權威的視覺證據是對液態氦中超流態的觀察,該液態氦已冷卻至Lambda點以下。在此溫度以下(STP時為2.17K),原子的宏觀部分已凝結成基態。這導致宏觀相關性,導致流體以高度非經典,異常的方式流動。例如,流體可以上(相對於重力)流到附近的容器中:
在更精細的設置中,我們可以看到噴泉效應:
我發現這是最令人信服的可見現象,需要進行質量管理。
本視頻和本文都向您展示瞭如何僅使用激光指示器和一些偏振濾光片在家進行量子橡皮擦實驗 ,它在視頻中是從3D眼鏡獲得的*。 。但是,如果您接受光是光子,則可以很好地說明,如果有一種方法可以知道光子採用的路徑,那麼干涉圖樣就會消失,這是非常明顯的量子現象。 *)以我的經驗,大多數3D眼鏡傾向於配備圓偏振濾鏡而不是線性偏振濾鏡。視頻中似乎沒有解決此問題,但它可能會更改您需要執行的操作才能查看結果。但是,我至少使用了一對來自IMAX電影院的線性濾波器。 sub>
玻璃的透明度是一種量子現象。這是由於矽晶體中的電子需要大量能量才能進入更高的軌道。這意味著像可見光這樣的低能光子可以不受阻礙地穿過。同時,紫外線具有足夠的能量被吸收。
玻璃是透明的,但不會曬傷。
作為Dan答案的例證,我得到了一個衍射光柵,並開始查看熒光燈。坦率地說,我真的很失望,因為您真的不能僅憑光柵就能清晰地看到線條。您會看到的大致是這樣的
但是我繼續告訴自己,我可以使自己成為一台分光鏡,我就是這樣做的!我有一張大海報,把它捲成管。我從小冊子上切了一條細縫,然後用膠帶將它們粘在一起。
雖然用了10分鐘,但結果確實令人滿意:
在日落前1或2個小時看著太陽時,我還可以看到一些Fraunhofer線,但是我無法拍照因為我的手機攝像頭很差。
我希望這可以藉助日常物體幫助從日常生活中闡明量子力學!
如果您正在尋找肉眼可見的東西,但不一定自然發生在您的周圍,那麼以肉眼可見的方式顯示光的量子本質的典型實驗是楊的倍增狹縫實驗。
該實驗的優點在於,可以輕鬆地在家中舒適地進行實驗。參見Physics.SE上的這篇文章:是否可以在家中自己複製雙縫實驗?
一個非常“簡單”的例子是為什麼我們不通過地面而原子(因此物質)大多為空的原因。儘管仍在爭論中,靜電排斥和所謂的靜電排斥在這種效應中起主要作用保利排斥原理(一種量子效應),幾乎可以肯定,僅靜電是不夠的。
人們每天都會通過計算ab-initio(該方程的求解方程式)對該量子斥力進行定量估計。電子的量子力學)分子間的勢能參數隨後將在分子尺度上進行模擬(基本上這些計算解釋了為什麼將原子表示為硬珠幾乎是公平的,因此它們已經解釋了兩個空原子不能重疊的原因)。 / p>
另一種簡單情況是金屬的剛度(或至少一定程度)很大程度上取決於排除原理(請參見鏈接的等式494和以下句子)被系統中的導電電子束縛。
當然是超導的。傳統上,您無法同時解釋來自無序系統的完美反磁性和完美傳導。
最引人注目的實驗是超導體在磁場上的懸浮,即邁斯納效應。您只需要一個高Tc超導體和一些N液體。引人注目的事實是氮完全蒸發時效應消失了。
互聯網上有很多關於此的視頻。參見 eg 這一章: http://www.ted.com/talks/boaz_almog_levitates_a_superconductor.html
順便說一句,超導是
量子霍爾效應是另一種有趣的效應,但它需要更多的材料(冰箱,...)。
通常,可以放心地說幾乎所有(如果不是)量子物理學的真正影響都是某種類型的物質-場相互作用...邁斯納效應和量子霍爾效應只是兩種特定的物質-場相互作用(磁場應用於低溫集體激發)電子。)
原則上應該可以在桌面實驗中測量某些原子的光譜(畢竟這是第19個後期實驗),但我相信它不會比懸浮現象令人印象深刻。只有使用量子力學才能完全理解所有光譜特性,並且可以通過肉眼“看見”它們,例如熒光(它有時需要紅外眼鏡,但我仍然相信它是“裸眼”,因為您可以
一般來講,所有凝聚態問題都需要對量子力學有一個全面的了解:帶理論(例如帶隙和晶體對稱性導致了半導體領域的發展) ,電子在無序系統中的傳播(例如,包括Mott絕緣子,……(關於這一點,另請參見Kaz的回答 https://physics.stackexchange.com/a/65464/16689)。 >
即使很難用肉眼看到,隧道效應也可以被認為是量子力學的驚人效應。不過,請參見本頁上jinawee的回答 https://physics.stackexchange.com/a/65416/16689。
您還需要隧道效應以解釋電導率的許多方面。例如,為什麼氧化的銅線仍然是良好的導體而不是絕緣體。
在光合作用中還產生了另一種有趣的量子力學效應。該過程稱為“跳躍”,它發生在葉綠素吸收光子然後發出激子時,該激子將擴散直至到達特殊類型的葉綠素分子,從而產生電子轉移。有一些參考文獻,例如: http://www.chemphys.lu.se/old/Archive/annual_96/primarynew.htm。
還有一個假設是量子糾纏在某些鳥類中產生以允許導航。參見: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i4/e040503。
肉眼可見太陽。太陽照耀的唯一原因是量子力學隧穿。如果沒有隧道效應,那麼在太陽核心溫度下就不可能發生聚變反應。
它解釋的內容-