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如果1+1≠2,世界将会怎样?

2020-02-21 09:09:02 暂无 阅读:840 评论:0

原标题:如果1+1≠2,世界将会怎样?

当你看到这个问题的时候,这个世界已经出现1+1≠2了,严格说是x≤1+1≤y,虽然我们目前并没有感觉到世界有什么变化,但那一天在不久的将来就会到来,必将是带来整个人类社会的重大变革,这就是量子力学中的相位。

如果1+1≠2,世界将会怎样?

一、数学中的1+1≠2在哪出现的?

见下图,你是否觉察出图中这个式子的错误了呢?

如果1+1≠2,世界将会怎样?

如果您是物理专业的毕业生,那么一定还记得有一门叫做“数学物理方法”或者是“复变函数”的课程。上面这个等式只不过是复变函数中的一个简单的习题。它当然是错误的,错误就在于(-1)^(1/2)的值不止一个,而是等于e^(k+1/2),k=0,1,2,3……,它有无限多个值。这就是复数的世界。

因为有了离散的群体,所以我们有了整数;因为整数的比值有可能不是整数,所以有了分数;因为边长为1的正方形对角线的长度既不是整数也不是分数,于是我们有无限不循环小数——它们组合在一起,就成了实数;通过把负数做幂运算,我们就可以把实数再扩大为复数。

一个复数由实部(实数部分)和虚部(虚数部分)构成,比如z=x+iy,其中x,y是实数,利用著名的欧拉公式e^(iθ)=cosθ+isinθ也可以把复数写成z=ρe^(iθ)的形式,其中ρ=(x^2+y^2)^(1/2)是z的模,θ=arctan(y/x)为z的幅角。

如果1+1≠2,世界将会怎样?

二、相位是如何影响量子力学的?

在量子力学中一个微观粒子体系的状态,用一个波函数ψ来完全描述,而波函数ψ是希尔伯特空间中的一个矢量。在空间中找到某粒子的概率是ψ模的平方|ψ|^2,也就是概率只跟这个矢量的长度有关,而它的相位,在取模平方的过程中将被消去。

欧拉公式的变换有点像是把直角坐标变换到极坐标的感觉,在相同的ρ不同θ的情况下“矢量”的长度并没有改变,物理学家管这个e^(iθ)称为相位因子。而实验中能测得的物理量只是波函数模的平方,也即是概率。所以在量子力学的早期,有些物理学家们并没有重视这个相位因子。

1959年,阿哈罗夫和波姆发表了一篇论文,其中提到电子干涉中,波函数ψ的相位可能会受到磁矢势的影响。第二年,实验物理学家钱伯斯就做了这个实验。

三、那么什么是AB效应呢?

如果1+1≠2,世界将会怎样?

上图中是一个改进的双缝电子衍射实验示意图,承接屏上有荧光物质,当电子打在屏上时会发出光亮,就可以知道电子主要落在屏上的什么地方。而B是一根通电螺线管,磁场被封锁在管内。实验先在没有B的情况下进行电子干涉,在承接屏上得到电子干涉图样。

然后加入B,B是一个小范围的,非常靠近双缝挡板的通电螺线管,不会阻挡到电子的运动。从理论上说电子并没有经过磁场,承接屏的图样应该不会有什么变化。但是实验事实却让人惊讶,承接屏的干涉图样改变了,电子的运动发生了变化!

这个实验最爆炸性的结论是,仅用磁感应强度描述磁场不是完备的,磁矢势也有物理实在。但是我们从另一个角度去想想,为什么电子打在荧光屏上各处的亮度改变了?你可以说是打在某处的电子数减少了,而打在另一处的电子数量增加了。但是考虑到电子的波粒二象性,我们应该认为这是相位原因。

既然电子是波,那么就会发生想干叠加增强和减弱;实际上这个电子的干涉实验就是在证明这一点。而是必须考虑到相位的相干叠加。

形象地说,这种叠加不是1+1=2,而是x≤1+1≤y这样一种形式。具体等于多少,这要看所处的相位。所以AB效应造出的影响,是改变了电子的相位,使得某处本来发生相长干涉的地方发生了相消干涉,造成承接屏图样的变化。

如果1+1≠2,世界将会怎样?

结束语

AB效应实验之后,物理学家们对于量子力学相位的研究越来越多,取得的成果也越来越多。1984年英国物理学家贝利发现在几何相中的一种依赖于含时参量的相位,称为贝利相,在物理学的其他领域如量子信息,凝聚态,量子光学等有着重大的应用。量子力学的相位的研究,依然是21世纪理论物理学最前沿的问题。

正是因为量子力学的相位,才有了量子力学的想干叠加,才有了不同于平常世界1+1=2的量子世界的千奇百怪。

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