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第32页



第二个角度关乎经典的运动轨迹,我们知道量子力学中,坐标动量是不対易的,[x,p]=ih/2π,所以我们看到,在h趋于0的时候,坐标和动量就变得対易了,所以我们可以同时确定粒子的坐标和动量。也就是经典的运动轨迹。

如果从路径积分的角度去理解,在h趋于0的时候,在最稳相近似下,所有的非经典轨迹都会相消,最后只留下经典的作用量所决定的轨迹。

最后补充一点,其实大家普遍相信在h趋于0的时候,量子会过渡到经典,但是这对应的具体情况,我们并没有完全理解,比如,我们不知道在量子混沌中,h趋于0是如何过渡到经典混沌的。

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11.在测量一个粒子的状态之前,科学家如何知道这个粒子的状态不确定?

这涉及量子力学的基本原理,也关系到对“测量”这个概念的理解。其实无论是经典测量还是量子测量,在测量以前,如果我们对被测对象缺乏必要的信息,我们是无法知道该对象的状态的(包括一个物理量是否是一个确定值),只不过我们认为经典情况下,被测对象的所有物理量在测量前后都是不变的。

然而,进行量子测量的时候,粒子坍缩为所测物理量的本征态,之前的态在测量的瞬间被改变。这个时候我们才知道哪些物理量是确定的,哪些是不确定的。所以可以这样讲,因为我们知道哪些物理量是确定的,所以我们才知道哪些物理量是不确定的,又是怎么不确定的(量子特性使得一个物理量是确定的,另外一个未必是确定的,比如位置和动量)。我们可以事先制备好一些相同的态进行测量(这样的测量仍然有意义,因为我们可能无法直接获知测得某个值的概率)。而制备的过程,本质上也是测量的过程,即,测量一个物理量,使系统坍缩为一个该物理量的本征态。

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12.相对论和量子力学在现代社会的应用有哪些?

相对论的日常应用是GPS定位。GPS定位的原理是不同位置的GPS卫星收到相同信号的时间不同,利用时间差和简单的几何可以定位信号源的位置。但根据广义相对论,轨道空间中飞行的GPS卫星和地球表面的时间运行速度并不一样快,所以GPS卫星定位技术必须考虑相对论效应。

量子力学的应用多了去了,它应用于所有的芯片!你能想象现代社会没有芯片吗?

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13.爱因斯坦与玻尔关于“上帝掷不掷骰子”问题的争论,最后貌似是玻尔的量子论更胜一筹,请问为什么人们只知道爱因斯坦而不知道玻尔呢?

我相信,爱因斯坦比玻尔更著名的原因有很多。第一点,爱因斯坦的学术成就的确比玻尔高。20世纪有两大物理学革命:玻尔带着海森堡、薛定谔、泡利和爱因斯坦、德布罗意、狄拉克、普朗克这一堆人一起(初步)完成了量子力学革命。另一边,爱因斯坦一个人完成了相对论革命。你说这让人怎么受得了。

第二点,对大众来说,相对论本身比量子力学更好理解,更容易接受,结论也更颠覆常人的世界观。

相对论:“空间弯曲,时间变慢,星际旅行,质能转换。”

(大众:“666,不明觉厉!”)

量子力学:“猫同时既是死的又是活的。”

(大众:“你是不是傻?”)

第三点,“二战”末的某个军事行动和“二战”之后的冷战对峙以及20世纪60年代核物理的高速发展,使得原子弹几乎成为当时的一种流行文化(你们知道比基尼最早是一个核爆试验场的名字吗?),E=mc2成为一个家喻户晓的物理公式,而缔造这个公式的爱因斯坦几乎成为大众心目中智慧的化身。再加上他老人家那极具辨识度的发型,俨然是一时的“时尚教父”。

最后说一点,爱因斯坦反驳玻尔时提出了一个EPR实验。后来证明爱因斯坦在EPR上的主张是错的,但EPR本身又成为了一个学科(量子通信量子信息)的源头。也就是说,学霸的错误都是对我们人类的巨大贡献。你说这让人怎么受得了?



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14.量子通信是基于量子纠缠的,是不是保护好这对量子就可以杜绝干扰和破解了?

的确,很多量子通信协议需要用到量子纠缠的性质,所谓的量子纠缠就是两个粒子间的非局域关联。量子通信的安全性是由量子力学的基本原理所保证的,是绝对的安全,与用于通信的纠缠对是否有被很好地“保护”基本没有什么关系。

根据量子力学原理,我们知道一旦对一个量子态进行测量,该量子态就会坍缩,即该量子态会被破坏。也就是说,当我们的量子通信信道被窃听时,该通信信道的原始信息就会被破坏,所以我们一旦发现信道中的信息被破坏了,我们也就知道信道被窃听了(例如,我们在通信时可以在通信信息中插入一些测试信号来测试信道是否安全)。另外,绝对地杜绝纠缠对被干扰是不可能的,因为我们用于通信的粒子必须处于一个环境,无法做到完全将其孤立起来,而一旦有了环境,该粒子就会与环境相互作用,从而使其量子态退相干,因此我们必须在量子态退相干前对其进行操作。现代的实验手段可以通过各种技术来延长通信粒子量子态的退相干时间,但无法做到完全没有退相干。

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15.量子通信技术可以像现在的电磁通信一样实用化吗?普通市民能不能用上量子通信技术的手机?如果能,可以预见哪些新奇的功能呢?

量子通信主要的优点是,因为量子不可克隆,所以量子通信可以在理论上杜绝信息被窃听的可能性。

如果这里有什么民用新奇功能的话,那就是绝对的隐私安全,以及贵得非常感人的流量包。哈哈!

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16.量子计算机将如何改变世界?

未来,高性能的通用量子计算机(现在的量子计算机为专用机)将最先出现在科研人员的手中。当量子计算机出现的时候,就是现有加密体系失效的时候。除此之外,由于对微观状态有着非常好的模拟,无机化学,甚至整个化学,逐渐并入到物理学中。量子计算机超强的性能,会让那些与信息处理密切相关的学科,如生物信息学,获得较大发展。当然,如果这个时候可控核聚变还没有完全实现的话,相信量子计算机也会对此产生不小的推动。

在商用的量子学计算机出现并普及后,商人们能及时知道价格的波动。他们希望收集足够的数据来分析对手的行为,同时尽可能地隐藏自己的行为。这样的世界容易产生机器依赖主义,但同时产生的还会有反机器依赖主义。

在个人量子计算机出现并普及后,人们将享受更为便捷的生活。比如你才输入一个字,你的机器就会预测出你最想查找的东西,这个预测大部分情况下会是准确的。各种各样的电器则通过网络与一台服务器连接在一起,使用服务器进行计算。

当人类与量子计算机的往来日渐加深后,有关量子计算机的思想将进一步渗透进工程计算领域。一些新的基于量子计算机的算法会被逐渐开发出来,物理将成为程序猿们的一门课程。

借助量子计算对人类脑部行为的分析和模拟,大脑最底层的规律(虽然这些底层规律与表象还未联系到一起)也许会被人发现,不少人尝试做出脑机接口。基于对蛋白质功能的深入了解,人们甚至做出了可植入的计算机。从此,人类的思维能力不断提升,可植入计算机最终被写入基因当中。

(PS:以上内容是脑洞出来的,希望大家和我们一起大开脑洞!)

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17.什么叫费米面的嵌套(nesting),研究它的目的是什么?

用一句话回答的话,就是费米面嵌套指的是两套费米面的全部或部分区域可以通过在倒空间移动一个波矢而重叠在一起,其目的是解释一些体系中的相变,包括铁磁、反铁磁、铁电、电荷密度波等。

这一概念是从人们试图理解巡游电子体系中的磁性时开始有的。在很多情况下,一个材料的磁性是可以通过晶格格点上一个个局域的磁矩的行为来理解的。比如,顺磁对应磁矩随机排列,且在时间上指向随机变化,铁磁对应磁矩沿同一方向排列,而反铁磁则对应相邻磁矩反向排列。但是人们逐渐发现,在很多磁性材料中,电的行为是“金属的”,也就是说电子一定不是局域的。那么显然,电子携带的磁矩也不会是局域的,人们自然没办法从局域磁矩的角度解释为什么这些材料还会存在着磁性。