为什么要用概率描述微观粒子的状态?难道上帝真的掷骰子吗?

【科技讯】上帝粒子是什么?在这个浩瀚的宇宙中有很多我们难以解释的东西,科学家们也在进一步探索。通过强子对装机模拟宇宙碰撞,发现了上帝粒子的存在,上帝粒子究竟有什么用呢? 强子对撞机的主要任务是创造出传说中的“上帝粒子”——希格斯玻色子。希格斯玻色子不仅是解开大爆炸初期宇宙起源之谜的关键钥匙,也是产生物理标准模型中最后一种尚未被发现的粒子——希格斯单粒子——的先决条件。 上帝粒子是什么

为什么要用概率描述微观粒子的状态?难道上帝真的掷骰子吗?

量子力学到底有多诡异?已经诞生一百多年的量子力学,至今也没有被完全搞明白。难怪有物理学大佬这样描述量子力学的诡异性:如果你首次接触量子力学,没有感到困惑的话,那你一定没有搞懂量子力学!

量子力学,有太多违背我们日常认知的地方。最明显的就是“波粒二象性”,怎么看都像“科学家自己也整不明白,然后做出的妥协”!一个东西怎么会具有波粒二象性呢?怎么可能既是粒子又是波呢?

但现实中的发现,不得不让我们承认“波粒二象性”的存在。虽然量子力学很违反常识,但一百多年过去了,人们也逐渐接受了它的“另类”,毕竟量子力学早已出现在我们的日常生活中。

下面简单回顾一下量子力学的发展。

爱因斯坦发现光电效应之后,提出光量子的概念,而波尔用光量子的概念提出了“匪夷所思”的核外电子跃迁的概念。

波尔认为,电子在原子核外并不是做有规律的圆周运动,当然也不会因为原子核的吸引坠入到原子核,而是会通过吸收或者释放光子不断地发生能级跃迁。

由于能量是不连续的,光子(光量子)只能是一份一份的,只意味着电子吸收或者释放的能量也不是连续的,也只能在特定的轨道(能级)上来回跃迁。

如果说电子跃迁现象还能理解的话,那么接下来的电子双缝干涉实验让我们彻底怀疑人生。

这个实验就不详述了,之前说了很多。简单说就是:一个电子可以同时穿过两条狭缝,这明显是波的特性。而当科学家听过探测器进行观测时,电子又“乖乖”地呈现粒子特性,一个一个从狭缝中穿过。

那么,科学家们的观测为何会影响电子的状态呢?我们先看看科学家们是如何观测的。

如何观测?当然不能直接用眼睛观看,必须用非常高端的显微镜才行,一般的显微镜是不行的,因为电子实在太小了。

显微镜发射的光线撞击到电子,然后发生发射,发射回来的光线就携带了部分电子信息。

当科学家想要测量电子的位置时,必须使用波长较短的光。因为电子非常小,如果光的波长很长,波峰的间距就比较大,测量出的误差就很大。

但是就像“鱼和熊掌不可兼得”一样,用波长较短的光测量电子的位置,确实测量得比较准确,但又会带来新的问题:波长越短,能量越大,意味着光子撞击电子时对电子速度的改变很大,就不能准确地测量光子的速度了。

想要尽量准确地测量电子的速度,就必须使用波长较短的波。但正如刚才所说,这又会导致“不能准确地测量电子的位置”!

这与测量仪器的精确度没有任何关系,再精密的仪器也会出现上述问题。

那么,该怎么办呢?

科学家想到一种办法:用概率去分析电子的位置和速度。当测量进行了很多次之后,就能获取电子的位置分布概率。同样的方法,也可以得到电子速度的分布概率。

于是,虽然我们不能同时获取电子准确的速度和位置,但我们可以用概率来描述,用公式表达出来就是ΔxΔp≥h/4π。

公式表达的是,微观粒子的位置和动量(速度)的不确定性乘积大于等于一个常数h/4π。这也是量子力学中的不确定性。

除了位置动量的不确定,能量和时间也存在着不确定性关系。

微观世界的微观粒子都满足不确定性公式,我们不能同时获取它们的位置和速度,只能用概率来描述。不确定性是微观世界的内在属性,也是一种本质属性。

由于微观粒子构成了宏观世界,理论上讲,宏观世界也应该具备不确定性,只不过很难体现出来罢了,我们根本观测不到。

不过爱因斯坦极力反对所谓的“不确定性”,它认为量子力学是不完备的,一定存在没有发现的某种“隐变量”能更好地诠释所谓的“不确定性”。这也是波尔和爱因斯坦争论的焦点,也是为什么爱因斯坦会说“上帝是不掷骰子的”。

上帝粒子意味着什么?

上帝粒子,就是所谓的希格斯玻色子,它也是粒子物理标准模型的最后一块拼图,而上帝粒子并不只是假想粒子,它于2012年发现,2013年宣布被证实,发现的就是希格斯玻色子,这一发现也证实了标准模型的正确性。

那么希格斯玻色子到底是什么?为什么被称为上帝粒子!

简单的说,就是它是希格斯机制的必然产物,也是证实标准模型的关键基本粒子!

构成物质以及传递四种相互作用力的费米子、玻色子。为什么有的基本粒子有质量,有的没有?这个就有了标准模型中的希格斯机制,当粒子于宇宙中普遍存在的希格斯场相互作用时,便产生了质量,没有相互作用便没有质量,这就是基本粒子有的有质量有的却没有,关键就是有没有和希格斯场产生相互作用,而当粒子和希格斯场作用时,就会产生希格斯粒子,也就是上帝粒子

所以上帝粒子就是正明标准模型希格斯机制的关键所在,若发现了,那就说明标准模型没有错,若没发现,那么标准模型或许将会被放弃,科学家将去研究其他没有希格斯机制的理论,寻求答案,而上帝粒子13年被证实发现,造成不小轰动,也使的标准模型最终完善!

在进行这样的计算时,希格斯玻色子本身的质量是一个非常关键的参数,它预示了时空的未来命运。目前的测量值显示,希格斯玻色子的质量约为质子的126倍,这一质量值几乎已经处在了一个临界点上,它将有可能让宇宙在未来数十亿年内走向毁灭。

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