一滴水背后的科学,远比你想得复杂,如何利用它来研究量子力学?( 二 )
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由于水滴的速度几乎与水面的速度相匹配 , 而且它们的方向相同(即水滴落入波谷) , 方程中的第三项接近于零 , 导致CKE值降低 , 不能将捕获的空气压缩到离水面100纳米的距离 , 这是溶合所需的最小距离 , 但如果水滴落在顶部:
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水滴在撞击波峰时直接溶合
波峰和水滴速度相加 , 因为它们的方向相反 , 导致足够高的CKE值“击穿”气垫 , 因此水滴在撞击表面的瞬间就溶合了 。
由于上述同样的原因 , 碰撞和重力在系统中的作用是 , 一旦水滴落在波谷上 , 它就会反弹 , 落入另一个波谷 , 从而减少其溶入水中的机会 。
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水滴在波谷中的运动
这些水滴被称为 "步行者" , 因为它看起来像是在水面上走来走去 。丹尼尔·M·哈里斯(Daniel M. Harris)和约翰·W·M·布什(John W. M. Bush)进行的一项研究在一个完全相似的装置下研究硅油步行者 , 发现这可以用来复制许多量子力学现象 , 尽管这里使用的对象属于经典物理学的范围 。
量子力学的核心思想之一来自于杨氏双缝实验:如果你将一束电子射向屏幕前的一对狭缝 , 电子不表现为粒子 , 而表现为波 , 导致屏幕上出现干涉图样 。当“步行者”放入一个类似的装置中时 , 先导波——即由于液滴与表面的相互作用而引起的波 , 会通过两个狭缝 , 但液滴只通过一个狭缝 , 但它们与狭缝相互作用的方式使结果分布看起来非常像杨氏双狭缝实验中的情况 。
【一滴水背后的科学,远比你想得复杂,如何利用它来研究量子力学?】
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液滴和先导波与双缝的相互作用
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概率分布
这是德布罗意在近一个世纪前提出的一个假设 , 他假设每个物体都有一个由其微小振荡产生的波 , 就像水滴产生的波与水面上的驻波相互作用 , 最终影响了水滴的运动 。
德布罗意假说的另一个应用可以在一个更令人匪夷所思的发现中看到 , 这些“步行者”表现出量子的行为 。水滴与波浪的复杂互动导致了非常混乱的运动 , 随着时间的推移观察 , 开始显示出一些模式 。
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混乱的运动变成了一种模式
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水滴在水面上的概率分布
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量子系统中电子的概率分布
令人惊讶的是 , 它很好地代表了量子系统(原子)中电子的概率密度!但这是否意味着这就是量子系统的概率分布?这是否意味着量子粒子的运动就是这样被控制的?不是 , 但这可能是一种可能的动力学 , 有助于在量子力学理论中观察到的统计数据 。这个简单的装置表达了自然界中的事物如何被用来解释彼此 , 这也许是经典物体显示量子特性的少数几个例子之一 。
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