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量子和粒子物理學(xué)何以解釋一切 蒂姆·詹姆斯 62個(gè)筆記 引語 無論科學(xué)家多么篤信，大自然總有辦法讓他大吃一驚。 引言 盡頭 讓你畫一個(gè)四邊三角形，或者讓你想一個(gè)小于10且大于10億的數(shù)字—這些要求并不復(fù)雜，可是你很難遵從，因?yàn)樗鼈兲闹嚵?。我們的量子力學(xué)之旅就是這樣。 量子世界充滿了四邊三角形和反常的數(shù)字，平行宇宙和悖論潛伏在每一個(gè)角落，物體不受時(shí)間和空間的限制。 第1章 容“光”煥發(fā) 公元前5世紀(jì)，希臘哲學(xué)家恩培多克勒率先建立了光的理論。 阿拉伯學(xué)者海什木出現(xiàn)，人們才最終放棄了恩培多克勒的觀點(diǎn)。海什木做了個(gè)實(shí)驗(yàn)，他解剖了一顆豬眼球，發(fā)現(xiàn)光線在眼腔內(nèi)的反射與在暗室里是一樣的，也就是說，光線來自周圍的物體，而眼睛恰好阻擋了光線的路徑 當(dāng)時(shí)所有人都認(rèn)為是人類賦予了物體存在的意義，因此人類看不見的東西不需要有外觀。 海什木完成的實(shí)驗(yàn)超越了人類的自負(fù)心理，逐漸變得流行起來。人們認(rèn)定，光來自物體本身，沿直線射進(jìn)我們的眼睛—無論光是什么。接下來就到了文藝復(fù)興時(shí)期。 勒內(nèi)·笛卡爾是文藝復(fù)興時(shí)期最有影響力的科學(xué)家、哲學(xué)家，他提出了關(guān)于光在物理學(xué)領(lǐng)域的另一個(gè)偉大想法。 牛頓的主要工作就是反對不如自己聰明的人（基本上是所有人）。 托馬斯·楊有著18世紀(jì)最杰出的頭腦。他破譯了羅塞塔石碑，是第一個(gè)破譯埃及象形文字的現(xiàn)代人，他可能因此而最為人熟知。托馬斯·楊也最早注意到人眼中的色覺感受器，他寫過幾本醫(yī)書，會(huì)14種語言，能演奏12種樂器，并發(fā)展了現(xiàn)代彈性理論。 第2章 星星點(diǎn)點(diǎn) 愛因斯坦的論文探討了所謂的“光電效應(yīng)”。簡單地說，當(dāng)光照射在一片潔凈的金屬上時(shí)，金屬原子外層的電子就會(huì)飛離金屬表面。 。一束10eV的紅光與一束10eV的藍(lán)光包含的能量相同。為什么能量相同的紅光和藍(lán)光不會(huì)產(chǎn)生相同的效應(yīng)？10eV的紅光與10eV的藍(lán)光不一樣嗎？愛因斯坦表示，如果認(rèn)真看待普朗克的量子論會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們就不一樣，10并不總等于10。 100顆乒乓球的總能量可能相當(dāng)于一枚炮彈，但炮彈的威力更大。因此，一束光如果分裂成粒子，它的總能量就無關(guān)緊要，唯一重要的是顏色。 因?yàn)橥苿?dòng)了光物理學(xué)的新進(jìn)展，普朗克和愛因斯坦分別于1918年和1921年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。遺憾的是，吉爾伯特·路易斯并沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但他有一副令人敬畏的小胡子，而且被認(rèn)為是“jiffy（瞬間）”一詞的發(fā)明者，所以在某種程度上，每個(gè)人都是贏家。 一方面，光電效應(yīng)和紫外災(zāi)難只有一種解釋：光由粒子構(gòu)成；另一方面，雙縫實(shí)驗(yàn)表明，光是通過某種背景介質(zhì)的波。 最簡易的是1994年外村彰在日立制作所工作時(shí)做的那個(gè)。[3]這家制造油箱、冰箱和按摩棒的公司，聲稱進(jìn)行了有史以來最精確的雙縫實(shí)驗(yàn)。 在量子力學(xué)中，你永遠(yuǎn)不會(huì)做出簡單的解釋，簡單的解釋永遠(yuǎn)行不通。 發(fā)射器中激發(fā)的光可以像粒子一樣運(yùn)動(dòng)，但雙縫實(shí)驗(yàn)表明，它在穿過狹縫時(shí)可以像波一樣運(yùn)動(dòng)。 牛頓的“經(jīng)典物理”中，一切都是合理的，粒子與波截然不同。量子論模糊了這個(gè)邊界。 愛因斯坦在瑞典領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)的時(shí)候，年輕的丹麥物理學(xué)家兼足球愛好者[4]尼爾斯·玻爾正在把量子論應(yīng)用到整個(gè)原子上。 原子由幾種粒子構(gòu)成，包括聚集在原子核中心的質(zhì)子，以及在原子核外、像蜜蜂繞著蜂巢一樣嗡嗡飛行的電子。（原子核里也有中子，但當(dāng)時(shí)尚未被發(fā)現(xiàn)。） 玻爾的量子論中，電子并不是圍繞著原子核快速地隨機(jī)移動(dòng)的。相反，它們穿越無形的球面，且這些球面間隔的距離是特定的。玻爾把這些球面稱為“電子殼層”，但很明顯他應(yīng)該稱之為“玻爾比特 玻爾設(shè)想的原子是一個(gè)三維的太陽系，這是人們至今還在繪制的原子圖像。 在空間的每一點(diǎn)都起作用，并隨著距離的增大而平穩(wěn)地減小。所以只要以正確的速度避免被吸過去，行星就能夠在任意軌道上運(yùn)行 done is better than perfect 從本質(zhì)上講，玻爾利用現(xiàn)有的物理概念做了一幅拼貼畫，就像一個(gè)孩子從父母的日用織品柜偷布料，然后把它們粘在一起，形成了真實(shí)但丑陋的畫面。而且，由于沒有人能做得更好，所以所有人都接受了，并把它貼在自己的冰箱上。 發(fā)現(xiàn)電子及其性質(zhì)是湯姆孫的至高榮耀。他利用電弧的偏轉(zhuǎn)證明了電子的存在，并測量了電弧的重量。因?yàn)殡娪匈|(zhì)量，所以它一定是由同樣具有質(zhì)量的粒子構(gòu)成的 但毫無疑問，電子是真實(shí)存在的。最小的原子是氫原子，而電子的質(zhì)量只比氫原子的兩千分之一大點(diǎn)兒，但它仍然是真實(shí)的。湯姆孫最開始想要將其命名為“微粒”來紀(jì)念牛頓，而美國物理學(xué)家卡爾·安德森則想要稱之為“負(fù)電子”[7]（我們都認(rèn)為這是能想到的最好的名字），但“電子”這個(gè)名稱取而代之。 第3章 貴族、炸彈和花粉 能量是波物理學(xué)和粒子物理學(xué)之間的“翻譯者”。 誠實(shí) 1944年，歐內(nèi)斯特·沃蘭利用德布羅意的理論，在食鹽晶體中衍射出比電子重?cái)?shù)千倍的中子。[1]也可以用同樣的方法將質(zhì)子衍射出，盡管令人驚訝的是還沒有人做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，至少?zèng)]有相關(guān)的記錄。但事后來看，我可能不該在那封大學(xué)申請書中聲稱我做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。 1944年，歐內(nèi)斯特·沃蘭利用德布羅意的理論，在食鹽晶體中衍射出比電子重?cái)?shù)千倍的中子。[1]也可以用同樣的方法將質(zhì)子衍射出，盡管令人驚訝的是還沒有人做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，至少?zèng)]有相關(guān)的記錄。但事后來看，我可能不該在那封大學(xué)申請書中聲稱我做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。 有點(diǎn)極端質(zhì)子、中子和電子都像波一樣運(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)既深刻又古怪。世界上每一個(gè)物體都是由這些粒子構(gòu)成的，我們把包括自己身體在內(nèi)的萬物都視為粒子，所以我們也都是波。你的身體有波長，如果以某種方式把你射向合適大小的雙縫，那么你也會(huì)發(fā)生衍射。 沃納·海森堡是世界上最優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家之一。不同于關(guān)注實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普朗克、愛因斯坦和德布羅意，海森堡更喜歡研究已完善的理論，并喜歡看到理論扭曲崩潰，而不擔(dān)心這對實(shí)驗(yàn)人員意味著什么。 波的位置和動(dòng)量并不像經(jīng)典力學(xué)那樣涇渭分明，如果你知道了粒子的位置，就不可能準(zhǔn)確知道粒子的動(dòng)量 在量子論中，動(dòng)量和位置是相互聯(lián)系的，所以我們可以知道粒子在哪里或者粒子的動(dòng)量是多少，但永遠(yuǎn)不可能同時(shí)知道 量子論認(rèn)為我們不可能知道一個(gè)物體的一切，因?yàn)榭倳?huì)有我們無法測量的東西。如果你足夠了解某一種屬性，就會(huì)自動(dòng)丟失其他屬性的相關(guān)信息。 在牛頓的宇宙觀中，我們通過了解現(xiàn)在來了解未來，這種宇宙觀被一個(gè)患花粉熱的數(shù)學(xué)呆子扼殺了。你不可能知道關(guān)于現(xiàn)在的一切，所以永遠(yuǎn)不可能正確預(yù)測未來。永遠(yuǎn)。 第4章 馴服野獸 薛定諤是個(gè)天才，他有些離經(jīng)叛道，崇尚精神自由，喜歡打領(lǐng)結(jié)。在長達(dá)50年的職業(yè)生涯里，他就科學(xué)、藝術(shù)和哲學(xué)等主題撰寫了大量文章。薛定諤是上流社會(huì)的棄兒，他與妻子安妮、情人希爾德的三角戀引發(fā)了不少流言蜚語。 薛定諤一開始對量子論不感興趣。他是個(gè)天才的物理學(xué)家，但專業(yè)領(lǐng)域是波的行為，而不是粒子。老實(shí)說，他對電子、光子和質(zhì)子感到厭煩。當(dāng)然，自從人們意識到有時(shí)需要把這些粒子看成波后，他就不這么覺得了。 其他人都在用粒子物理來描述原子，但如果他能提出一種波動(dòng)方程以達(dá)到同樣的效果，也許會(huì)帶來新的洞見。 薛定諤把波粒二象性如何成立的問題放在一邊，只關(guān)注事物的波動(dòng)性。他設(shè)想把原子表面的每一個(gè)電子拉伸，就像把一塊黃油涂在烤面包上一樣。這層電子膜可以纏繞原子核，并以特定的頻率振動(dòng)。 對于給定的輸入值，比如質(zhì)量或原子核的牽引力，薛定諤方程能準(zhǔn)確地預(yù)測原子中的電子以三維方式振動(dòng)的形狀，他稱之為“波函數(shù)”。 不同的音符代表不同的諧波（允許出現(xiàn)的波）。薛定諤方程表明，與原子核結(jié)合的電子具有相同的音樂感。 一不小心就飆車 虛數(shù)”，薛定諤方程就無法給出正確的答案。我在本書中盡量不用數(shù)學(xué)方法解釋量子力學(xué)，但虛數(shù)對這個(gè)故事很重要，我們不能輕松地繞開它。所以，親愛的讀者，系好安全帶，我們要開始玩數(shù)學(xué)游戲了 虛數(shù)”，薛定諤方程就無法給出正確的答案。我在本書中盡量不用數(shù)學(xué)方法解釋量子力學(xué)，但虛數(shù)對這個(gè)故事很重要，我們不能輕松地繞開它。所以，親愛的讀者，系好安全帶，我們要開始玩數(shù)學(xué)游戲了 為了解決這個(gè)悖論，亞歷山大港的希臘數(shù)學(xué)家希羅發(fā)明了一種新的數(shù)字，這種數(shù)字垂直于我們習(xí)慣使用的數(shù)字。這些數(shù)字被定義為負(fù)數(shù)的平方根，勒內(nèi)·笛卡爾稱之為“虛數(shù)”，因?yàn)檫@些數(shù)字看起來不切實(shí)際。[5] 薛定諤的方法有效（它確實(shí)有效），那么電子不僅在三維空間里繞原子核振動(dòng)，還在一個(gè)虛構(gòu)的維度里繞原子核振動(dòng)。大自然在搞什么鬼？ 德國物理學(xué)家馬克斯·玻恩是第一個(gè)試圖理解電子波函數(shù)真正含義的人。玻恩被量子力學(xué)的隨機(jī)性迷住了，這是海森堡不確定性原理的直接結(jié)果。 瘋狂就是犯同樣的錯(cuò)卻期待不同的結(jié)果 海森堡不確定性原理迫使我們放棄預(yù)測未來的想法，讓我們接受這樣一個(gè)事實(shí)：事情的發(fā)生基于概率，優(yōu)雅而瘋狂的量子女神一時(shí)興起的念頭決定了一切。在實(shí)際測量以前，粒子的位置是不精確的（粒子是不確定的），我們在測量時(shí)只能預(yù)測可能的位置，而不是確切的位置。 波函數(shù)是計(jì)算電子在某個(gè)位置出現(xiàn)的概率的平方根。 電子、質(zhì)子和光子本身并不是波，但它們的可能位置是波 如果把電子擲向墻壁，我們必須把它當(dāng)成波。波的每一個(gè)峰值意味著“粒子很可能在這里”，每一個(gè)谷值意味著“粒子不太可能在這里”。所以如果波接近墻壁，其中的一些峰值會(huì)出現(xiàn)在墻壁的另一側(cè)，就像這樣： 原子內(nèi)部的粒子就會(huì)隨機(jī)地通過隧穿到達(dá)原子的邊緣，然后神奇地出現(xiàn)在原子外面。這正是我們在放射性輻射中觀察到的。 大多數(shù)人并不糾結(jié)于這種區(qū)別，通常用“量子力學(xué)”指代1926年以前和1926年以后的物理學(xué)。但對于純粹主義者而言，量子論始于普朗克，而量子力學(xué)始于薛定諤。 第5章 事情變得更加奇怪……又一次 也許雙縫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是因?yàn)殡娮痈静皇请娮樱悄撤N詭異的幽靈狀態(tài)，只有當(dāng)探測屏測量到它時(shí)，它才變成了具有明確屬性的粒子。我們用薛定諤波動(dòng)方程計(jì)算 我們不觀察粒子的時(shí)候，它的動(dòng)量、能量、自旋甚至位置都在某種我們從未直接看到的、未知的虛無中搖晃。不知怎么，測量迫使它們接受了現(xiàn)實(shí)世界的性質(zhì)。顯然，粒子很在乎我們是否觀察。 第6章 盒子與貓 怕量子力學(xué)并不能完全證明幽靈的存在，盡管它確實(shí)為死而復(fù)生提供了一個(gè)很好的理由 像光的顏色可以混合形成白色一樣，粒子的屬性也可以混合形成一種“疊加態(tài)”，在這種狀態(tài)中，粒子既不上旋，也不下旋，既不存在于此處，也不存在于彼處。它既是一切，也是虛空。 第7章 世界是一場幻覺 量子靈性論是“實(shí)在性哲學(xué)”介入的地方，因?yàn)樵S多精神導(dǎo)師聲稱，既然意識能夠影響現(xiàn)實(shí)，那你就可以通過思考使事件發(fā)生。在這里我對他們的教義稍加改寫，但由于他們的理論涉及量子力學(xué)，我想這是公平的。 大腦是神秘的，但神秘并不意味著“違背自然法則”，它只是意味著我們還不知道其中的細(xì)節(jié)。在解釋量子觀測時(shí)，我們沒有理由援引超自然現(xiàn)象，卻有相當(dāng)多的理由忽略它。 第9章 瞬間移動(dòng)、時(shí)間機(jī)器和快速轉(zhuǎn)動(dòng) 這個(gè)團(tuán)隊(duì)由潘建偉領(lǐng)導(dǎo)，他們進(jìn)行了一次量子隱形傳態(tài)，起點(diǎn)是西藏的實(shí)驗(yàn)室，終點(diǎn)是距離地球1,400千米的Micus衛(wèi)星。這是從地球到太空的瞬間移動(dòng)， 第10章 量子力學(xué)證明我是蝙蝠俠 1911年的第一次索爾維會(huì)議主題是普朗克和愛因斯坦的量子論；第二次索爾維會(huì)議（1913年）的主題是“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)”；第三次索爾維會(huì)議（1921年）的主題是“原子與電子”；第四次索爾維會(huì)議（1924年）的主題是“電”；第五次索爾維會(huì)議討論的是哥本哈根詮釋，以及這一詮釋是否應(yīng)該永遠(yuǎn)占據(jù)統(tǒng)治地位。參與這一次傳奇事件的有薛定諤、海森堡、索末菲、德布羅意、玻爾、玻恩、普朗克、居里夫人、愛因斯坦等。 微信讀書 |
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