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量子和粒子物理学何以解释一切
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2022.10.25 北京

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量子和粒子物理学何以解释一切
蒂姆·詹姆斯
62个笔记
引语
无论科学家多么笃信,大自然总有办法让他大吃一惊。
引言 尽头
让你画一个四边三角形,或者让你想一个小于10且大于10亿的数字—这些要求并不复杂,可是你很难遵从,因为它们太荒谬了。我们的量子力学之旅就是这样。
量子世界充满了四边三角形和反常的数字,平行宇宙和悖论潜伏在每一个角落,物体不受时间和空间的限制。
第1章 容“光”焕发
公元前5世纪,希腊哲学家恩培多克勒率先建立了光的理论。
阿拉伯学者海什木出现,人们才最终放弃了恩培多克勒的观点。海什木做了个实验,他解剖了一颗猪眼球,发现光线在眼腔内的反射与在暗室里是一样的,也就是说,光线来自周围的物体,而眼睛恰好阻挡了光线的路径
当时所有人都认为是人类赋予了物体存在的意义,因此人类看不见的东西不需要有外观。
海什木完成的实验超越了人类的自负心理,逐渐变得流行起来。人们认定,光来自物体本身,沿直线射进我们的眼睛—无论光是什么。接下来就到了文艺复兴时期。
勒内·笛卡尔是文艺复兴时期最有影响力的科学家、哲学家,他提出了关于光在物理学领域的另一个伟大想法。
牛顿的主要工作就是反对不如自己聪明的人(基本上是所有人)。
托马斯·杨有着18世纪最杰出的头脑。他破译了罗塞塔石碑,是第一个破译埃及象形文字的现代人,他可能因此而最为人熟知。托马斯·杨也最早注意到人眼中的色觉感受器,他写过几本医书,会14种语言,能演奏12种乐器,并发展了现代弹性理论。
第2章 星星点点
爱因斯坦的论文探讨了所谓的“光电效应”。简单地说,当光照射在一片洁净的金属上时,金属原子外层的电子就会飞离金属表面。
。一束10eV的红光与一束10eV的蓝光包含的能量相同。为什么能量相同的红光和蓝光不会产生相同的效应?10eV的红光与10eV的蓝光不一样吗?爱因斯坦表示,如果认真看待普朗克的量子论会发现,它们就不一样,10并不总等于10。
100颗乒乓球的总能量可能相当于一枚炮弹,但炮弹的威力更大。因此,一束光如果分裂成粒子,它的总能量就无关紧要,唯一重要的是颜色。
因为推动了光物理学的新进展,普朗克和爱因斯坦分别于1918年和1921年获得了诺贝尔奖。遗憾的是,吉尔伯特·路易斯并没有获得诺贝尔奖,但他有一副令人敬畏的小胡子,而且被认为是“jiffy(瞬间)”一词的发明者,所以在某种程度上,每个人都是赢家。
一方面,光电效应和紫外灾难只有一种解释:光由粒子构成;另一方面,双缝实验表明,光是通过某种背景介质的波。
最简易的是1994年外村彰在日立制作所工作时做的那个。[3]这家制造油箱、冰箱和按摩棒的公司,声称进行了有史以来最精确的双缝实验。
在量子力学中,你永远不会做出简单的解释,简单的解释永远行不通。
发射器中激发的光可以像粒子一样运动,但双缝实验表明,它在穿过狭缝时可以像波一样运动。
牛顿的“经典物理”中,一切都是合理的,粒子与波截然不同。量子论模糊了这个边界。
爱因斯坦在瑞典领取诺贝尔奖的时候,年轻的丹麦物理学家兼足球爱好者[4]尼尔斯·玻尔正在把量子论应用到整个原子上。
原子由几种粒子构成,包括聚集在原子核中心的质子,以及在原子核外、像蜜蜂绕着蜂巢一样嗡嗡飞行的电子。(原子核里也有中子,但当时尚未被发现。)
玻尔的量子论中,电子并不是围绕着原子核快速地随机移动的。相反,它们穿越无形的球面,且这些球面间隔的距离是特定的。玻尔把这些球面称为“电子壳层”,但很明显他应该称之为“玻尔比特
玻尔设想的原子是一个三维的太阳系,这是人们至今还在绘制的原子图像。
在空间的每一点都起作用,并随着距离的增大而平稳地减小。所以只要以正确的速度避免被吸过去,行星就能够在任意轨道上运行
done is better than perfect
 从本质上讲,玻尔利用现有的物理概念做了一幅拼贴画,就像一个孩子从父母的日用织品柜偷布料,然后把它们粘在一起,形成了真实但丑陋的画面。而且,由于没有人能做得更好,所以所有人都接受了,并把它贴在自己的冰箱上。
发现电子及其性质是汤姆孙的至高荣耀。他利用电弧的偏转证明了电子的存在,并测量了电弧的重量。因为电有质量,所以它一定是由同样具有质量的粒子构成的
但毫无疑问,电子是真实存在的。最小的原子是氢原子,而电子的质量只比氢原子的两千分之一大点儿,但它仍然是真实的。汤姆孙最开始想要将其命名为“微粒”来纪念牛顿,而美国物理学家卡尔·安德森则想要称之为“负电子”[7](我们都认为这是能想到的最好的名字),但“电子”这个名称取而代之。
第3章 贵族、炸弹和花粉
能量是波物理学和粒子物理学之间的“翻译者”。
诚实
 1944年,欧内斯特·沃兰利用德布罗意的理论,在食盐晶体中衍射出比电子重数千倍的中子。[1]也可以用同样的方法将质子衍射出,尽管令人惊讶的是还没有人做过这个实验,至少没有相关的记录。但事后来看,我可能不该在那封大学申请书中声称我做了这个实验。
1944年,欧内斯特·沃兰利用德布罗意的理论,在食盐晶体中衍射出比电子重数千倍的中子。[1]也可以用同样的方法将质子衍射出,尽管令人惊讶的是还没有人做过这个实验,至少没有相关的记录。但事后来看,我可能不该在那封大学申请书中声称我做了这个实验。
有点极端质子、中子和电子都像波一样运动,这一点既深刻又古怪。世界上每一个物体都是由这些粒子构成的,我们把包括自己身体在内的万物都视为粒子,所以我们也都是波。你的身体有波长,如果以某种方式把你射向合适大小的双缝,那么你也会发生衍射。
沃纳·海森堡是世界上最优秀的数学家之一。不同于关注实验结果的普朗克、爱因斯坦和德布罗意,海森堡更喜欢研究已完善的理论,并喜欢看到理论扭曲崩溃,而不担心这对实验人员意味着什么。
波的位置和动量并不像经典力学那样泾渭分明,如果你知道了粒子的位置,就不可能准确知道粒子的动量
在量子论中,动量和位置是相互联系的,所以我们可以知道粒子在哪里或者粒子的动量是多少,但永远不可能同时知道
量子论认为我们不可能知道一个物体的一切,因为总会有我们无法测量的东西。如果你足够了解某一种属性,就会自动丢失其他属性的相关信息。
在牛顿的宇宙观中,我们通过了解现在来了解未来,这种宇宙观被一个患花粉热的数学呆子扼杀了。你不可能知道关于现在的一切,所以永远不可能正确预测未来。永远。
第4章 驯服野兽
薛定谔是个天才,他有些离经叛道,崇尚精神自由,喜欢打领结。在长达50年的职业生涯里,他就科学、艺术和哲学等主题撰写了大量文章。薛定谔是上流社会的弃儿,他与妻子安妮、情人希尔德的三角恋引发了不少流言蜚语。
薛定谔一开始对量子论不感兴趣。他是个天才的物理学家,但专业领域是波的行为,而不是粒子。老实说,他对电子、光子和质子感到厌烦。当然,自从人们意识到有时需要把这些粒子看成波后,他就不这么觉得了。
其他人都在用粒子物理来描述原子,但如果他能提出一种波动方程以达到同样的效果,也许会带来新的洞见。
薛定谔把波粒二象性如何成立的问题放在一边,只关注事物的波动性。他设想把原子表面的每一个电子拉伸,就像把一块黄油涂在烤面包上一样。这层电子膜可以缠绕原子核,并以特定的频率振动。
对于给定的输入值,比如质量或原子核的牵引力,薛定谔方程能准确地预测原子中的电子以三维方式振动的形状,他称之为“波函数”。
不同的音符代表不同的谐波(允许出现的波)。薛定谔方程表明,与原子核结合的电子具有相同的音乐感。
一不小心就飙车
 虚数”,薛定谔方程就无法给出正确的答案。我在本书中尽量不用数学方法解释量子力学,但虚数对这个故事很重要,我们不能轻松地绕开它。所以,亲爱的读者,系好安全带,我们要开始玩数学游戏了
虚数”,薛定谔方程就无法给出正确的答案。我在本书中尽量不用数学方法解释量子力学,但虚数对这个故事很重要,我们不能轻松地绕开它。所以,亲爱的读者,系好安全带,我们要开始玩数学游戏了
为了解决这个悖论,亚历山大港的希腊数学家希罗发明了一种新的数字,这种数字垂直于我们习惯使用的数字。这些数字被定义为负数的平方根,勒内·笛卡尔称之为“虚数”,因为这些数字看起来不切实际。[5]
薛定谔的方法有效(它确实有效),那么电子不仅在三维空间里绕原子核振动,还在一个虚构的维度里绕原子核振动。大自然在搞什么鬼?
德国物理学家马克斯·玻恩是第一个试图理解电子波函数真正含义的人。玻恩被量子力学的随机性迷住了,这是海森堡不确定性原理的直接结果。
疯狂就是犯同样的错却期待不同的结果
海森堡不确定性原理迫使我们放弃预测未来的想法,让我们接受这样一个事实:事情的发生基于概率,优雅而疯狂的量子女神一时兴起的念头决定了一切。在实际测量以前,粒子的位置是不精确的(粒子是不确定的),我们在测量时只能预测可能的位置,而不是确切的位置。
波函数是计算电子在某个位置出现的概率的平方根。
电子、质子和光子本身并不是波,但它们的可能位置是波
如果把电子掷向墙壁,我们必须把它当成波。波的每一个峰值意味着“粒子很可能在这里”,每一个谷值意味着“粒子不太可能在这里”。所以如果波接近墙壁,其中的一些峰值会出现在墙壁的另一侧,就像这样:
原子内部的粒子就会随机地通过隧穿到达原子的边缘,然后神奇地出现在原子外面。这正是我们在放射性辐射中观察到的。
大多数人并不纠结于这种区别,通常用“量子力学”指代1926年以前和1926年以后的物理学。但对于纯粹主义者而言,量子论始于普朗克,而量子力学始于薛定谔。
第5章 事情变得更加奇怪……又一次
也许双缝实验的结果是因为电子根本不是电子,而是某种诡异的幽灵状态,只有当探测屏测量到它时,它才变成了具有明确属性的粒子。我们用薛定谔波动方程计算
我们不观察粒子的时候,它的动量、能量、自旋甚至位置都在某种我们从未直接看到的、未知的虚无中摇晃。不知怎么,测量迫使它们接受了现实世界的性质。显然,粒子很在乎我们是否观察。
第6章 盒子与猫
怕量子力学并不能完全证明幽灵的存在,尽管它确实为死而复生提供了一个很好的理由
像光的颜色可以混合形成白色一样,粒子的属性也可以混合形成一种“叠加态”,在这种状态中,粒子既不上旋,也不下旋,既不存在于此处,也不存在于彼处。它既是一切,也是虚空。
第7章 世界是一场幻觉
量子灵性论是“实在性哲学”介入的地方,因为许多精神导师声称,既然意识能够影响现实,那你就可以通过思考使事件发生。在这里我对他们的教义稍加改写,但由于他们的理论涉及量子力学,我想这是公平的。
大脑是神秘的,但神秘并不意味着“违背自然法则”,它只是意味着我们还不知道其中的细节。在解释量子观测时,我们没有理由援引超自然现象,却有相当多的理由忽略它。
第9章 瞬间移动、时间机器和快速转动
这个团队由潘建伟领导,他们进行了一次量子隐形传态,起点是西藏的实验室,终点是距离地球1,400千米的Micus卫星。这是从地球到太空的瞬间移动,
第10章 量子力学证明我是蝙蝠侠
1911年的第一次索尔维会议主题是普朗克和爱因斯坦的量子论;第二次索尔维会议(1913年)的主题是“物质的结构”;第三次索尔维会议(1921年)的主题是“原子与电子”;第四次索尔维会议(1924年)的主题是“电”;第五次索尔维会议讨论的是哥本哈根诠释,以及这一诠释是否应该永远占据统治地位。参与这一次传奇事件的有薛定谔、海森堡、索末菲、德布罗意、玻尔、玻恩、普朗克、居里夫人、爱因斯坦等。
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