牛頓定理在微觀世界也是有效的??赡苡心凶影槁牭竭@個答案會很困惑,既然有效那為何還要發展出量子熱學呢?這正是要回答題主問題的關鍵,也是本文接出來要述說的核心——量變帶來的質變。
一、牛頓定理是從日常經驗總結而出
我們如今把牛頓定理也稱為牛頓數學或則稱作精典數學,雖然好多人可能都不明白“經典”二字為什么意,說白了,就是符合你想像的東西,差不多就是學校的這些東西。
即使數學學的再差,肯定會有基本的科學意識,例如你們都覺得你不會既在臥室又在廚房。19世紀之前的所有人和現今99.99%的人,都是這個科學意識,這就是精典的含意。
而牛頓定理就是從我們日常經驗的化學量的范圍內總結下來的,它研究的問題都是在我們生活中能接觸到的范圍之內。因為有全球所有人,300多年日常經驗的檢驗,也讓你們對精典化學堅信不疑。
二、牛頓定理在微觀領域仍然見效
精典化學的定理也太多,我們就以牛頓三大定理為例吧。雖然微觀和宏觀之間并沒有絕對的界限,假如非要說有,這么就是普朗克常數了。一般覺得,普朗克常數能導致顯著作用的,都適用量子力學。
但是,牛頓定理依然在發揮作用。例如牛頓第一定理,慣性定理。在沒有外力作用下物體將保持靜止或勻速直線運動??赡苡腥苏f,老郭你這話可就說得不對了,微觀粒子具有波粒二象性,任何時侯,它的位置都是不確定的。
雖然這是您真的誤解了。一個粒子哪些情況下才能處于沒有外力作用的狀態呢?必須是孤立的粒子啊。但是這個世界存在這樣的粒子嗎?很其實是沒有的。
例如我們做電子衍射實驗的時侯,假如我們除去后面的狹縫,一個一個發射電子,你會發覺,所有電子會打在同一個點上。電子通過狹縫以后會在接收屏上出現白色,是由于狹縫作為一個宏觀物體與電子發生了互相作用。
舊式的陰極射線管電視機仍然在給我們做這個實驗。射出的電子會被精準地控制在它該出現的位置上。輕微的散焦是由于電子的密度大,互相間的庫倫作用力造成的。
同樣,牛頓第二、第三定理在微觀領域一樣是有效的,這兒我們就不具體剖析了。
三、量子熱學為何會與牛頓熱學有如此大的差異?
好多人都能對精典化學如數家珍,也能對量子熱學聊上這么幾句。哪些波粒二象性、不確定原理、量子糾纏等等。雖然有一個問題是好多人都忽略的,我也甚少見到有科普文章提到,那就是在微觀領域牛頓第一定律影響因素,我們研究的并不是粒子本身的運動規律,而是整個“系統”的規律。
還是要舉例來說明。在精典化學中做受力剖析的時侯,物體就是物體,施力者和受力者之間是隔離的,它們之間的作用以力的方式,可以從物體的運動狀態剖析下來。例如我們剖析兩個站在地面上的人的受力情況,摳掉一個人,并不會對另外一個人的受力狀態有哪些影響。由于這個人,不會對月球的引力導致影響。
然而這樣的方式假如領到微觀領域就不行了。這是由于,粒子的質量都很小,粒子與系統,粒子與粒子之間的作用通常都很強,它們之間會形成強烈的互相影響。你拆掉一個,相當于改變了整個系統的狀態,另外一個粒子其實就要遭到影響了。
所以我們看見,在量子熱學中,我們才能檢測到的數學量——波長和振幅,雖然都是早已包含了系統的信息的。假如我們還用精典數學中孤立地看問題的方式,其實就不能對量子熱學形成正確的理解了。
雖然這就是由于數目級的變化帶來的化學性質的變化,導致物質運動規律的主要影響誘因發生了變化造成的。我再舉一個反例來說明數目級變化帶來的影響。
近日,新冠病毒霸屏,你們都曉得病毒的主要傳播途徑是飛沫。為何飛沫才能在空氣中長時間飛行而不落到地上呢?并不是由于萬有引力不存在了,實際上,引力始終都在。只是由于,飛沫一般都太小了,只有不到100微米。空氣分子熱運動形成的撞擊影響要遠小于重力的下落作用。
所以,不是飛沫不會落地,而是在以及其平緩的速率落地。與其說飛沫在空氣中飛,莫不如說飛沫雖然是在空氣中“游泳”。這與廢水中的大顆??梢院芸斐恋?,而小顆粒會長時間漂浮在水底的道理是一樣的。
同樣,在沒有完成數學學的大統一之前,量子熱學雖然不考慮引力的作用,同樣是一門十分精確的數學學的緣由,由于引力要比其它力小幾十個數目級牛頓第一定律影響因素,這點影響完全可以忽視不計。
結束語
牛頓熱學是不是在宏觀上有效,300年的應用,以及我們明天的宇宙航行仍然在使用就足以給出答案了。牛頓熱學其實同樣在微觀領域中有效,而且因為我們觀察的化學量數目級的劇烈變化,造成我們的觀測包含了微觀粒子與系統之間互相作用的信息。所以才造成了牛頓熱學這些用隔離法處理問題方法的失效,必須使用量子熱學這樣“系統”性考慮問題的思路。