量子力学和经典力学有什么区别?

其实量子力学和经典力学有相同点,也有不同点,而且相同点多于不同点。相同的是对物理学现象的描述,不同的是思考的逻辑。

量子力学和经典力学的相同之处

想要了解两者之间的不同,首先要想了解两者之间有啥相同的。很多人对于新旧理论之间的关系有很大的误区,总是认为新的理论颠覆了旧的理论。实际上,在整个历史长河中,这种基石型的理论从来就没有被颠覆过。所以,新的理论和旧的理论之间的关系不是颠覆,而是继承和兼容。

没错,就是继承和兼容。经典力学其实对于宏观低速之下描述已经十分精准,并且可以准确预测。所以,任何理论在宏观低速下是不可能颠覆经典力学的,因为它和现实拟合得太好,所以新的理论一定会和经典力学在宏观低速下几乎等价的。

实际上,也确实如此,对于量子力学而言,除了引力之外,量子力学都对经典力学进行的兼容。说白了就是,经典力学是量子力学在宏观低速下的一种近似。所以,其实对于新理论而言,它都有一个使命,继承旧理论在其尺度内的精准度,并且进行兼容。而相对论同样是如此,经典力学其实也是相对论在宏观低速下的近似解。

那量子力学和经典力学有什么不一样的呢?

“场”与“力”

其本质上是理论逻辑上的不同。而经典力学之所以被称为“力学”,主要是因为它在描述物质之间相互作用的关系时,用到了“力”这概念,这个概念最早是由牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中给的准确定义。

“力”的定义大概意思就是说:

力是改变物体运动状态的原因。

这个“力”的概念实际上在宏观低速下就已经够用了。但是到了微观世界,“力”就不够用了。科学家后来发现,在自然界中存在四种力,强力,弱力,电磁力和引力。

强力和弱力可能大家都不太熟悉,实际上它们都是原子核尺度下的作用。强力有两种,一种是用来束缚夸克的,一种是把原子核内的粒子束缚在原子核内的,有时候我们也叫它核力。而弱力,其实和粒子的衰变有关。

我们就来弱力来举例子,弱力可以使中子衰变成一个质子和一个电子,然后释放出大量能量。在这个过程中,牛顿原来的定义就失效了,因为直接把粒子的种类都改变了。

所以,科学家发现了“力”这个概念的局限性,只能再去找找其他的办法。于是,他们想到了:电磁场。这个东西其实大家都见过,你只要抓一把铁粉撒在磁铁周围,就可以看到。虽然平时看不见,摸不着,但我们知道“场”是存在的,并且分布在空间当中的。

那电磁场是什么呢?通过对“光的波粒二象性”的研究,(补充一下,光其实是一种电磁波),科学家发现,

电磁场的变化会产生电磁波,说白了就是电磁场实际上是光子的往来运动。

所以,我们也可以说,电磁力是靠电磁场来实现的,而电磁场的本质是靠光子来传播的。

受到这个的启发,科学家利用“场”和“粒子”这两个基点,结合量子力学和狭义相对论,建立了一套量子场论。

并且给出了粒子物理学的标准模型。在这个模型中,科学家统一了强力,弱力和电磁力。

其中强力是靠胶子和介子来传播的,弱力则是依靠W玻色子和Z玻色子来传播的。电磁力是依靠光子来传播的。而粒子的质量,则是来自于粒子与希格斯场的作用,说白了就是依靠希格斯玻色子来传播的。

这些粒子无一例外都被科学家找到了,找到的最后一个就是希格斯玻色子。

而粒子物理学的标准模型其实可以解释除了引力之外的三个作用力,自然而然也可以解释宏观低速下除引力作用之外的各种现象。所以,你看,利用不同的“物理量”,科学家构建出了不同的理论模型。而量子力学和经典力学最大的不同就在于,这套理论的核心是场和粒子,经典力学的核心是力。

世界观的不同

当然,除了上面所说的之外,还有一个很本质的不同,世界观是不同的。经典力学告诉我们的其实是一个确定性的世界。而量子力学告诉我们的确实一个不确定性的世界。如果是一个经典力学的拥趸,他会认为,因果律是存在的,宇宙中存在绝对客观的终极理论。而量子力学会告诉你,这个世界是不存在所谓的终极真理的,你所看到的一切和你的观测本身有关。这也是为什么,爱因斯坦会说,

爱因斯坦是典型的决定论的拥趸,所以他认为量子力学是不完备的,他其实想表达的就是这种不确定性太奇葩了。

而海森堡的不确定性原理和薛定谔的波动方程,又十分准确地描述了微观世界的各种现象。更重要的是这两个理论竟然成功兼容了经典力学,这就让人很匪夷所思。

所以,用量子力学来描述时,我们看到的话术,常常是这样的,某个粒子出现在某个位置,处于某个运动状态的概率是多少。在量子力学中,原子核外电子的运动就是用概率云的方式来描述的。

但是在对于决定论者看来,一般都是,几分几秒,某个物体以什么样的方式在运动。而在经典力学中,核外电子的运动则是确定性的。

所以,两者在对现象进行描述时,就会有很大的不同。而这种不同正是来自于对世界的看法和观念不同,说的高级一点,就是世界观的不同。