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土衛七引發的量子力學問題:混沌

發布時間:2025-10-27閱讀(1)

自1950年代以來,人們就知道量子力學不能正確再現經典混沌系統的動力學。在量子力學中,我們用波函數來描述一切,而波函數通常用希臘字母ψ表示。在量子力學中,所有事物都有波函數:原子、貓和衛星。我們可以使用薛定諤方程及時計算波函數的變化。薛定諤方程是線性的,這意味著其中沒有波函數的乘積。像這樣具有線性方程的系統沒有混沌,要產生混亂,我們需要非線性方程。

但是量子力學應該是所有物質的理論,所以我們應該能夠使用量子力學來描述大型物體,對吧?如果我們這樣做,我們應該會發現這些大物體的運動符合經典的非量子行為。這被稱為“對應原理”,這個名稱可以追溯到尼爾斯·玻爾。對應原理認為世界是統一的,當我們從微觀放大到宏觀,體系的行為應該從量子平緩過渡到經典。

物理學家也知道這個問題,他們想出了一個這樣的解釋。Hyperion離我們很遠,那里發生的事情并不多,但它仍然與塵埃和光相互作用,或者更準確地說,與稱為“光子”的光量子相互作用。這些都是非常微小的相互作用,但數量卻很多,并且必須將它們添加到衛星的薛定諤方程中。這些微小的相互作用所做的是,它們將衛星與其環境、塵埃和光糾纏在一起。這意味著,每當一粒塵埃撞擊衛星時,波函數的某些部分都會發生非常輕微的變化。

雖然那些小顛簸稍微改變了波函數部分的波峰和波谷,但薛定諤方程仍然是線性的,所以所有這些相互作用都不能解決預測與觀察不一致的問題。問題的解決方案出現在論證的第二步。物理學家說,我們有了這個帶有大量糾纏塵埃顆粒和光子的衛星的波函數。但是我們并不確切地知道這些塵埃是什么、它在哪里,或者光子做了什么等等。因此,如果我們不知道確切的細節,我們就會做我們總是做的事情:我們猜測細節可能是什么,然后我們對它們進行平均,這個平均值與經典牛頓動力學的預測一致。

但是這種解釋有兩個問題。一是它迫使你接受在沒有灰塵和光的情況下,衛星不會遵循牛頓運動定律。更嚴重的問題是,取平均值不是一個物理過程,它不會改變月球所處的狀態。

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