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通俗易懂的科普解读:什么是量子态?什么是粒子自旋?

(2019-08-03 22:38:41)
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自旋场物理学

通俗易懂的科普解读:什么是量子态?什么是粒子自旋?

原创 scottcgi 2019-05-20 18:09:46
通俗易懂的科普解读:什么是量子态?什么是粒子自旋?

 

在微观世界,量子态粒子自旋,是两个极其核心与重要的概念,对于理解微观世界的奥妙,有着十分重要的基础作用。

本文将会,深入浅出又通俗易懂的介绍这两个概念。

什么是量子态?

在量子力学中,量子态——是由一组量子数所确定的微观状态;量子数——是表征微观粒子运动状态和性质的一些特定数字;量子——是最小化不可分割的基本个体(如光量子,即光子);量子化——就是存在非连续,呈现离散数值的量子个体。

表征——是指信息记载或表达的方式。

量子态的作用,就是确定并描述了,微观粒子的运动状态,其中有一系列的量子数(如自旋),而每种量子数又都是一组,描述粒子非连续运动状态下,不同性质的数值。

而这些量子数的数值,都是量子化的非连续数值,即:只能是某一最小能量值(与普朗克常数相关)的整数或是半整数(半奇数)。这些数值代表着粒子,可观测到的状态量,而在未观测之前,这些数值的可能性是叠加和纠缠的,即意味着粒子的量子态是叠加和纠缠的。

量子数,有很多种,其中最重要的就是——自旋量子数,也称粒子自旋。

通常,在描述原子核外电子运动状态时,有四种量子数——主量子数(轨道层级,即大小)、角量子数(轨道空间角动量,即形状)、磁量子数(轨道空间伸展,即运动方向)、自旋量子数(自旋角动量,即自旋方向)。

其它量子数还有——宇称,即空间变换性质,可简单理解为“左右对称”或“镜像对称”——等等还有很多。

最后,量子态涉及到一个原理——泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle),即:自旋半整数(即半奇数)的粒子(统称费米子),不能有两个或两个以上处在相同的量子态。而另外一种自旋整数的粒子(统称玻色子),则多个可以同时处在同一个量子态

也就是说,费米子没有全同粒子——量子态可以区分它们,而玻色子则可以有全同粒子——量子态无法区分它们。

事实上,量子态的计数则对应着时间的本质,具体解读参看下面的链接文章。

科学解读:什么是时间?什么是空间?它们的本质是什么?

什么是粒子自旋?

粒子自旋——是粒子的重要属性,可以用来对粒子的标识和分类,因为每个粒子都有特有的自旋,自旋数不同就是不同种类的粒子。但粒子自旋,并不对应宏观上的物体自转,比如地球自转,因为粒子没有轴,没有更小单元围绕质心自转。

所以,粒子自旋是唯象的描述,仅能将自旋视为一种内在性质,是粒子与生俱来带有的一种角动量。它具有可观测的量子化数值——无法被改变,但其方向可以透过一些操作来改变。

角动量——是质点矢径扫过面积的速度大小,或是刚体定轴转动的剧烈程度 。

自旋是如何发现的呢?

事实上,是在实验中,发现了电子经过磁场产生了偏转,这说明电子自带磁矩。而磁矩,就是磁场中的磁性力矩,通常在磁场中形成闭环电流,才能产生。

因此,一定是电子自旋,形成了闭环电流,才产生了磁矩,而这个磁矩就称为——自旋磁矩。并且实验还发现,这个磁矩的强度,与电子自旋的角动量相关,即:正电子自旋产生正磁矩,负电子自旋产生负磁矩。

所以可见,粒子有自旋,如果带电荷,就会有磁矩,且正电荷磁矩方向与自旋方向相同,负电荷磁矩与自旋方向相反。

另外,有些复合粒子(如中子),对外显电中性,但内部有微量电荷,就会有自旋磁矩。

不同的自旋有什么意义和区别?

粒子的自旋角动量,是可观测的量子化数值,其值是——「自旋量子数(粒子自旋)」乘以 「h/2π(h为普朗克常数)」,其中自旋量子数,是整数或半整数,可正负(代表了自旋是顺时针还是逆时针)。

  • 自旋为0——粒子,从各个方向看都一样,就像一个点(如希格斯玻色子)。
  • 自旋为1——粒子,在旋转360度(1圈)后看起来一样(如光子、胶子)。
  • 自旋为2——粒子,在旋转180度(1/2圈)后看起来一样(如引力子,未证实)。
  • 自旋为1/2——粒子,在旋转720度(2圈)后才会看起来一样(如电子、中微子、夸克)。
  • 目前发现的粒子中——自旋为整数的,最大自旋为4,自旋为半整数的,最大自旋为3/2。

那么,自旋1/2,反映到波函数上——就是粒子转一圈之后,波函数的相位会与原来的正好相反,只有转2圈,波函数才能彻底恢复原状。

当然,直接测量波函数的相位,是不可能的,但是我们可以测量相位差。 就像双峰干涉实验一样,相位差不同的两束波,叠加在一起会发生干涉现象。这样的话,通过干涉条纹的分布,就可以计算出相位差,也就可以证明粒子自旋,确实是1/2了。

相位(Phase)——是对于一个波,特定的时刻在它循环中的位置:一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。

波函数——是量子力学中,定量描述微观粒子状态的函数(数学结构)。其代表的是粒子空间位置与动量的一种概率分布,呈现了波动性,可以形象化成“电子云”或是“概率云”。在数学上,波函数是空间和时间的复函数,满足薛定谔方程——处在具体微观条件下,可由相应的薛定谔方程解出。而波函数所表示的波,也被称为概率波几率波、德布罗意波物质波

复合粒子的自旋

复合粒子,是由基本粒子构成的,基本粒子是不可再分的点粒子。这里不可分割的意思——是指没有体积与模型图像,无法检测到其内部结构,比如光子、电子和夸克。

那么,复合粒子的自旋——就是其内部各组成部分之间,相对轨道角动量和各组成部分自旋的向量和,即:按照量子力学中,角动量相加法则求和。比如,质子的自旋——可以从夸克和胶子的自旋得到。

总结

综上可见,量子态通过多个量子数,描述了微观粒子的运动状态。量子数代表的,就是微观粒子,最小的不可分割的一个状态性质,可以称之为——自由度。而自由度,可以理解为状态呈现的一些数值——这些数值是量子化的,即不连续、跳动、随机的,显然是非常“自由”的。

而在众多量子数中,自旋性质是所有微观粒子,所普遍共有的。那为什么所有的粒子都要自旋呢?

这目前是一个未解之谜,或许有不自旋的粒子,只是我们无法观测到它们而已。

不过呢,有一种性质,也是所有的微观粒子都具有的——就是波粒二象性,或许自旋波粒二象性之间有着不为人知的关系,更或许正是有了自旋,才有了粒子的波动性——因为这两者之间有一个共同的系数,就是π,即:自旋的圈就是波动轨迹的圈。

并且在量子化的时候,粒子的粒子性呈现出了——自旋,而在非量子化的时候,粒子的波动性呈现出了——波动轨迹

微观世界:不确定性、波粒二象性、量子纠缠与观测的本质


更多宇宙认知系列文章:

通俗易懂的科普解读:什么是量子态?什么是粒子自旋?  https://www.toutiao.com/a6693048452781179395/

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