量子物理能够解释经典物理和经典物理无法解释的问题,为何教材不直接教量子物理?

bdqnwqk7个月前基础16

先来说说经典物理和现代物理。

中学阶段和大学大部分时间学习的基本都是经典物理, 由牛顿建立的经典力学发展而来的庞大物理体系,主要的包括牛顿的万有引力理论和后期麦克斯韦的经典电磁理论。在麦克斯韦方程组问世后,可以说经典物理的体系基本上完备了。

接着是爱因斯坦相对论对经典物理的超越,引力方程最终超越牛顿万有引力方程成为近代描述引力和宏观物质相互作用的权威。然后是量子物理的问世。普朗克、海森堡、玻尔、薛定谔等人发现波粒二象性,引入概率波,奠定了量子力学的基础,再后来海森堡等人进一步研究量子力学,发展出矩阵力学。

基本思路就是这样,经典物理和现代物理之间的关系大抵就是递进,为了易于理解,也可以说成是包含的关系:在低速宏观条件下,牛顿等人百年前创立的经典物理仍然是完美成立的。而对经典物理的理解和思维方法的学习,说学习现代物理的基础,所以学习物理要从经典物理开始,肯定是没问题的。教科书绝对不会从初二开始学量子物理。

前沿的现代物流非常细化,各个方向的研究都非常深入,以至于专业人士哪怕搞的是同一个笼统的大方向,细分方向不同,也很难在有限时间内真正彼此理解各自在做的东西。物理学、数学这样的学科知识体系,是典型的树状。树状结构学科的学习过程是全程递进的,很难跳过一个知识点的前一环之基础,就把握住后一环。现代物理知识对普通人来说的意义大多还是在于科普,让非专业领域的人,能够在不需要接触太多细节的情况下知道专业领域在研究什么、研究的意义何在。物理前沿科普就是一颗火种,满足我们尤其是学生对世界的好奇,乃至未来的选择。在我们牛顿家长课堂里,未来就会有由中科院博士带来的量子物理科普课程,学生们非常喜爱,希望我们的前沿科普课程可以为他们未来的路点亮一盏明灯。

但是如果经典物理的基础没有夯实,那对于现代物理的理解将永远停留在科普阶段。所以,在中学阶段补充一些现代物理学的知识是可以的,前提是学好“一百多年前的知识”。

量子的发现动摇了物理学的所有根基,影响的只有物理学么?

如果只从单方面讲,只是影响科学界,应该是巨大震撼。如果算上科学知识的普及,可能也刷新了相当一部分人的世界观。

对于量子力学的神奇之处,也是它的几条基本定理。

①测不准原理:德国物理学家海森堡在上世纪20年代末提出,简单来讲就是指,人们无法测量到一个粒子在同一个时刻的的位置和动量,要注意:和用什么测量仪器的没有关系。但是为什么会这样呢?

一个小例子来说明,假如你要观察一个实物粒子,势必要通过光子传播图像信息,而且最少也得一个光子,但是你会发现,如果你准备测量粒子的速度,那么测量的越精准,所要求的光子频率越低,而频率越低,对粒子的位置就不能很好的判断;而去测位置的时候,所要求的光子波长就越短,则光子能量上去了,那么速度的判断就不准了。

②叠加态原理:可能大家都听过薛定谔的猫这个故事。对于那只又死又活的猫,放到微观世界的解释就是:微观粒子在未被观测前,可以同时处于几个状态,列如一个盒子,它既可以存在于盒子外面,也可以存在于盒子里面。然而当有人去观察的时候,描述粒子的波函数瞬间坍塌,只露初一一个本征态。

实际上这个就是最让人感到不可思议并难以理解的。因为看到的听到的摸到的都是宏观世界的体现,而叠加态原理的出现,好比告诉你,月亮只有当你看的时候才存在,不看就不存在一样的“荒唐”。

准确的来讲,量子的发现并没有动摇物理学的根基,但是对于物理学的影响,应该是巨大的。相对论和量子力学一同组成了现代物理学的基础,而不论是量子力学或者是相对论,其都有一个相同的目的,那就是将物理学统一。

量子是什么?首先量子不是一种物质粒子,但是诸如亚原子、质子、中子、电子、中微子、光子……我们都可以将其统称为量子。量子的定义是:将一个物质分割至不可分割的状态,就把这个最小的微粒子称为量子,没有人能够说得清楚它究竟是什么。量子的发现开启了人类对于微观世界的探索。量子现象,动摇了物理学曾经认定的所有根基,其影响的不仅仅是所谓的物理学认知,而是以唯物观认识定义真理的整个世界。科学的唯物观认为,一切都是物质的,能量由物质所转化,但是光量子现象告诉人们,能量的存在可以是没有物质座位依托的,这就是颠覆科学唯物认识观的要命事实。

量子力学和相对论一样,都对物理学的发展有着巨大的影响,但如同相对论并没有否定经典物理学一样,量子力学也没有,只不过是经典物理学存在着一定的局限性导致在研究范围扩大的时候,原有的理论基础不能够满足实验事实,这就需要一种更为精细的理论,不过这不意味着抛弃原有的理论,只是适用范围不同罢了。相对论不是万能的,如果在速度远远低于光速的前提下,使用牛顿力学和相对论来解决问题基本没差异,相对论是精确一些,但是精确的数值对于我们来说也没有什么意义,反而增加了繁琐的运算。相对论也并不是完美无缺的,量子的发现便印证了相对论的局限性,但是它也并不能因此就可以否定相对论,只能说是完善。

提到量子力学,很自然的会想到测不准原理和量子叠加态。测不准原理说的是我们无法同时精确测定一个粒子的位置和动量,这个测准了那个就测不准,只能用动态波函数加以描述,而经典物理学认为一切都是确定的甚至是可以预测的,但是量子力学的发展否定了这一观点。量子叠加态也就是通常所说的薛定谔的猫的问题,按照常理猫要么活着要么死去,但是量子力学告诉我们还可能存在一个中间状态,猫不死也不活。

总而言之呢,量子力学是一门高深的理论,哪怕经过了百余年的发展,我们所能够探索到的还很有限,足以见其影响之深远。