量子芝诺效应
爱衣Aiee
2022年05月14日 22:38
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1.1 重要提示!

    这里关于量子芝诺效应的描述是科普化的,目的是帮助有写科幻作品需求 的观众在作品中加入“似是而非”的量子力学“味”。 与真实完整的物理学描述相比依然存在致命的不完整性 (科普难以涉及过 分高深的数学),切勿用个人的逻辑、思辨或直觉试图从该科普中“学习”量子 力学,关于系统的量子力学学习的方法和资源会在末尾给出。

1.2 物理学四大神兽——芝诺的乌龟 

    事实上,经典芝诺悖论和量子芝诺效应在表层的现象和数学结构上都没有 太大关联,这里出于对死去神兽的尊敬,简单提及。 设一个人和乌龟赛跑,人的速度是乌龟的两倍,但在乌龟之后,人和乌龟同 时出发,当人到达乌龟出发时的位置时,此时的乌龟已经向前移动了一段距离, 当人再次到达乌龟上一次的位置时,乌龟又向前移动了一段距离,这个过程可以无限重复。

图片来自网络

    而在这样的表达下,虽然人的速度比乌龟快,但永远追不到乌龟。运用今天的数学语言,我们可以从多个方向解决这个悖论:设人速度为 2v,乌龟速度为 v,两者相距 x。

    设人追上乌龟时,用时 t 有:

    事实上,这种方法虽然计算出了相遇的确切时间,但并没有说明悖论本身的原理。

    我们从悖论本身考虑问题: 当人到达乌龟的初始位置时,用时

此时乌龟前进:

    即乌龟与人之间的距离,每次缩减 1/2。这样,人到达乌龟上一刻所在位置的时 间也逐次减小 1/2。

    我们考虑一根长度为 2 的棍子,每次折去其一半,剩余部分满足:

于是:

    即,无穷次的数列之和可以为有限值。

1.3 量子芝诺效应 

    我们首先介绍一些相关的基本概念:

态和波函数 

    在量子力学中,态或波函数描述了一个系统所在的状态,我们这里用态的描 述对问题进行分析,态本身是无法被测量的,我们能测量的只有具体的物理量。 而有趣的地方是,我们可以将态理解为数学空间 (并不是现实的空间) 中的 一个箭头,而对于物理量的观测,则只能观测到态在特定方向的投影。

    如图,蓝色箭头为系统所在的态,当而黑色坐标轴为观测系统的物理量“A” 时的“本征态”,红色为观测系统物理量“B”时的“本征态”,如果我们这时观 测黑色物理量“A”,只有可能获得两个结果,分别是“A+”和“A-”。而获得结果的概率由蓝色与物理量“A”的“本征态”的夹角相关,对红色同理。 

    对应到常见的物理量上,就产生了“量子性”,即不连续,比如观测“能量” 的物理量,我们会发现,某系统的“能量”只能取一部分单独的值,成为能级, 电子轨道就是其典型的例子。(有等级体系的小说可利用这一特性科学化的设定 “突破境界”的意义,即跃迁,(因为能级在现实中有时存在展宽,所以同等级内 有强弱差别也可以解释)) 

    而有趣的部分,也是今天物理学仍在争论的部分是:在对某个态进行观测 后,比如我用“A”观测蓝色失量,观测之后,态将会发生改变,不再是蓝色失量。这是自然的,观测本身就是一个影响性的行为。

    但是今天依然无法解释的是 (实验已经证实,但是没有很完整和漂亮的解 释),如果我们“A”测量到了“A+”(横黑矢量),那么,测量之后,态将直接4变为横着的黑色坐标轴!

演化

    我们之前讲过,物理量的本征态可以用“坐标轴”理解,而有一个特殊的坐标轴,能量的坐标轴,如果系统的态刚好处于能量的坐标轴上,这个矢量的方向将不改变,只按一定的规律在坐标轴上移动。(这里使用了简化的描述,真实的 物理系统中,该失量为复矢量,相因子匀速改变) 

    而每一个矢量都在能量坐标轴上有投影,不同坐标轴的投影演化“规律”有 细微的差别 (相因子变换速度不同),因此,其总矢量将产生复杂的变换,物理 体系随时间产生改变。

量子芝诺效应 

    值得注意的是,上述波函数的演化是连续的,即在很短时间中,演化的变换也很小 

    如果我们刚刚测试一个物理量“A+”,体系从“A+”开始演化,由于演化时间很短,演化后的矢量和“A+”的夹角很小,与其他 A 坐标轴夹角很大,这时再次观测“A”,我们有很大的概率使得态重新变为“A+”,如此往复,物理 永远无法脱离“A+” 

    这就是量子芝诺效应,在小说中,这一现象在抛开物理细节并且艺术化只后,可以解释为 当一个人的每个粒子都连续的短间隔观测时,他将被时停。

0.2 量子力学学习路径 

    高中数学—高等数学-数学物理方法 (虚数和微分方程求解部分)

    线性代数 

    高中物理-牛顿力学 (非惯性系,力矩等)-分析力学 (知道哈密顿量是啥)-量 子力学 

    另外,电动力学对量子力学的学习有帮助

    高中数学—高等数学-数学物理方法-电磁学-电动力学 

    推荐书目:朗道物理学讲义 赵凯华电磁学,顾樵数学物理方法,顾樵量子力学,樱井纯现代量子力学