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让一切成为“可能”的量子力学有多神奇?

量子力学诞生于1925年,历史并不算长,但是自从其诞生以来便以极快的速度摧毁了自古希腊时代以来人们对于物质的看法。量子力学解决很多长期以来困扰着人们的问题,对于物理学家一直属于是禁区的亚原子世界也因量子力学的出现暴露在世人面前。并且很多人认为量子力学已经完全超越了爱因斯坦的工作,曾有人这样评价过:爱因斯坦越过了一座小山而量子革命则完全越过了他。

如此神奇的量子力学与爱因斯坦的相对论区别到底在哪里呢?关于这一问题基本可以归纳为如下几点:

1、量子力学认为力是由交换一份份能量(它们被称为量子)而产生,并且不同的力由交换不同的量子而产生,例如弱核力是由交换w玻色子产生,而强核力是由交换π介子产生(以后会为大家详细介绍四种基本力及其作用)而爱因斯坦则认为力是由时空曲率造成的,是几何的结果!

薛定谔方程

3、粒子有可能穿越或者做一次量子跃迁而越过不可越过的势垒。这是量子力学最令人震惊的预言之一,也是最经常出现在科幻电影里的一个。量子遂穿已经经受住了大量实验的考验。演示量子遂穿的一个简单的实验是在盒子里放一个电子通常电子没有足够的能量遂穿盒壁,如果经典物理学是正确的那么电子将永远无法出现在盒子外面。然而根据量子理论,电子的概率波将会充满整个盒子甚至渗透到盒子的外部,所以电子有概率位于盒子外面。在实验室中人们测得的量子遂穿盒壁的概率与量子力学完全相符。这意味着我们能够计算出某些“不可能”发生的事件的概率,比如小编我穿墙而过的概率(可能在宇宙有生之年都很难发生,所以我们不能利用量子遂穿进行旅行)。

量子力学建立以后,在20年代和30年代经历了及其辉煌的时期但是到了40年代却出现了一些衰退的迹象,因为通过大型的对撞机产生的神秘粒子多达几百种与爱因斯坦仅凭物理直觉就建立相对论框架不同,量子物理学家沉浸在了大量的实验和整理数据之中。著名科学家费米(原子弹的制造者之一)就说过:如果我能清楚地记得每一种粒子的名称那么我就会成为一名植物学家。

有这么一个故事:一名科学家训练一个跳蚤在摇铃是跳跃,并把跳蚤放在显微镜下观察他把跳蚤的一条腿麻醉,在摇铃时跳蚤还在跳跃,就这样直到把跳蚤全部的腿麻醉之前跳蚤在听到铃时都会跳跃。所以这名科学家得出了这样一个结论那就是跳蚤是通过腿来听声音的。

而霍夫特的工作就是证明了杨-米尔斯场是可重正化,是一种明确界定粒子相互作用的理论。正是在这之后似乎物理学找到了最后一块缺失的拼图,把物质束缚在一起的是杨-米尔斯而不是爱因斯坦。物理学的中心是杨-米尔斯而不是几何学。基于杨-米尔斯场建立一种无所不包的理论成为可能。

显然如果我们用脚提一下这样的小锤就会产生不同的震动,这也就是不同类型亚原子粒子形成的原因。

而对于决定轻子性质弱力则通过交换w玻色子和z玻色子产生,对于电磁力杨-米尔斯场中包含着麦克斯韦理论。

然而对于这看似完美的理论却隐藏着这一个最基本的显而易见的问题,那就是它缺乏对称的美感,更像是一个拼凑起来的科学。这一点我们通过列出标准模型的所有力和粒子就不难发现:

1、6种味和三种色以及与其配套的反物质共36种夸克。以及夸克描述的强相互作用。

2、描述胶子的8种杨-米尔斯场,胶子则把夸克束缚住。

3、描述弱核力和电磁力的4种米尔斯场。

5、至少有19个任意常数用来描述粒子的各种行为,这些常数必须人为放进去而不能以任何理论决定。这就意味着标准模型有着巨大的人为性。

随后又出现了大统一论,这一理论也是基于量子力学而产生,它尽可能的将标准模型的人为性降低,并且试图将弱核力,强核力以及电磁力安排在更大的对称群中。但是要证明这一种理论必须要找到质子衰变,但不幸的是无论用什么方法质子似乎永远不配合科学家。并且大统一论并没有在实质上超越标准模型还像是一个拼凑起来的科学。

持续了半个世纪的量子力学热潮终于逐渐冷却,爱因斯坦雪耻的时候到来了。

最近有一个新闻,杨振宁加入中国国籍。看到网上好像很多人对杨振宁先生的人品持否定态度,我对此不予置评,但是杨振宁对于物理学特别是量子力学贡献确实巨大!

量子力学实在是太复杂,以至于研究它的大部分科学家都对它感到头疼。我只能尽可能简单的安排我的语言以期大家能对量子力学有个基本的了解。

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