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给一些关于量子方面的知识?

字数有点多,不过看完够你完全了解量子力学了。

你一定知道磁铁吧,你也知道金。

当你把你手上的金戒指连续26或27次对折后,最小的那块就是黄金的最小单位了:金原子。

宇宙中所有物质都是由原子构成。

原子又是由什么构成的呢?

原子

现在,你就要进入“量子世界”,它是由基本物质和光组成。

现在,我们将你无限的缩小,我们去看看两个磁铁之间会有什么火花。

两个磁铁将要靠拢,你就紧贴着其中一个磁铁。

你能看到摇摆的原子,当他们无限接近时,突然!一阵光闪现,再接近,越来越多的光珠出现,你或许快被闪瞎了。

这就是超距反应。你刚才看到的是一种神秘力——电磁力。这种作用力由虚光子携带。

宇宙中的任何地方,都存在电磁场,虚光子可以在任何时刻出现。

这种作用力,被一种叫做“电磁荷”的东西支配。

虚拟光珠就是把同种电荷排斥,异种电荷吸引的东西。它们距离越近,虚拟光珠就越多。

事实上,电磁场不仅规范了所有电荷和磁荷物体的运动,还创造了一切带电粒子、光!

现在我们再来研究一下原子,我们大多数人知道原子核,以及外面的电荷。当你变得足够微小时,事实上,你还是很难抓到电子,因为它们总是以无法预测的方式改变自己的轨迹。

好不容易,你抓住了一个电子,是的,你确实抓到了他,你握紧,再握紧……突然,它消失了。

确实,它消失了。

原来它在你手心挖了地道,钻出去了。

量子跃迁,这是只有在足够小的尺度才会发生的现象。它的特性之一:它能自由跳跃。这种现象被称为“量子隧穿”或者“量子跃迁”。而且,量子世界的所有粒子都能如此。

它们的神秘在于,的确以隧穿的形式运动,而实际上这里没有什么隧道……

因为量子隧穿,它们可以任意穿梭不受任何阻碍。一切的一切,只是因为,它们能够在周围的“场”中借到能量。并且,你不可能会知道它们借到了多少能量,因为你无法测得它的速度。

量子隧穿会让你觉得天方夜谭。爱因斯坦曾经对他的学生说:“如果你们理解了我要告诉你们的事情,那么显然我没有讲清楚”。

德国物理学家宾宁和瑞士物理学家罗雷尔用实验证明了量子隧穿。他们将一根极细的针连接到电流仪上扫描物体表面,不让针尖接触表面,然后他们检测到了电流,这意味着电流来自电子跃迁。他们还造出了“隧道扫描显微镜”。这台机器能看到原子本身。因此,他们获得了1986年诺贝尔物理学奖。

如今的科学认为,电子不由比它更小的微粒组成,它们就是电磁场的产物,是电磁场的一种表现。先前我们称之为虚拟光子的,它们是虚拟粒子,是各种作用力的力载流子,存在的意义在于携带作用力。

实光子和电子一样,也是电磁场的基本表现,不由任何其他物质构成。而他们的碰撞,却能产生神奇的反应。

光子透过场的假想图

很多光子从太阳的内核中,大约花了8分钟到达地球,当它好不容易逃出太阳时,见到电子,它就消失了。

而与此同时,电子变得狂暴不安,因为它被激发了。

电子吞下了光子。

它们能相互作用,能相互转化。

看上去很奇妙,事实上你早就熟悉它。当阳光照耀在你的肌肤上,你会消去寒意沐浴在阳光的温暖中,你的皮肤当然和其他物质一样由原子构成,当阳光照射时,皮肤的原子和电子会捕获一些光子,进入激发状态。在激发状态下,电子摇摆不定,于是你就感受到了皮肤带来的热量。

在此,你得到了惊人的发现,物质与光能相互转化。

这也能解释这世间的颜色。

原子在吞了光子后,也能吐出,让我们和其他物体以颜色的形式“发光”。那些颜色就是原子的电子所吞噬而又释放的颜色。其他的颜色就被物质所吸收变成热能或被储存。

如果没有电子和光子的反应,我们看到的将是一片黑暗的世界。

前面我们提到了引力,引力让你紧贴着地面,但是为什么没有让你直接渗透到地心呢?为什么我们不能穿越地面呢?

电子依然会给你答案。

如果你想在原子核外增加一个电子,那么它就必须符合一定的规则,因为每个电子都有自己的电子轨道,如果一层已经填满,新来的电子就只能寄托在其他轨道上。(这里提的轨道是一个区域)

这叫做泡利不相容原理,1925年瑞士物理学家泡利发现了它,也因此在1945年获得了诺贝尔物理学奖。

因此,你无法穿越地面,因为地面原子的最外层电子不允许你的最外层电子通过,因此,你们之间只能保持距离。

那我们为什么又能随意的穿越空气呢?

因为我们的原子绑在一起,构成了我们相对固体的状态,而空气的原子(分子)并没有绑在一起,它们可以为你让路。这也是固体和液体气体的区别。

我们弄懂了原子核外的电子,那我们势必进入原子核一探究竟了。

原子核比电子重了1836倍,初中物理告诉我们,原子核由质子和中子构成,当然,现实世界并不这么简单。

新西兰的物理学家卢瑟福在1911年发现了原子,但他不知道质子之中还有物质。

在质子内部,你会发现无数的虚拟粒子出现,消失,他们不同于虚拟光子,他们携带了另外一种作用力,这些力让我们的原子不至于瓦解,他们更加强大,因此成为“强相互作用力”。

质子中,有三个小东西,叫做“夸克”,他们真的是三个形影不离的家伙,也是世界上最忠诚的家伙(可惜是轰轰烈烈的三角恋)

粒子

他们之间的距离越远,强相互作用力就会越大,那些虚拟粒子也就越多越狂暴。夸克相互绑在一起,自然要有人来看守他们,而看守这个监狱的守卫就是胶子(它们的确像胶水一样)。

胶子和夸克构成了世界上的质子。

胶子是我们已知的最强大力量——强核力的携带者。

胶子和质子属于另一个“场”,这也是一个量子场,它们也能隧穿,突然出现,突然消失,它们属于强相互作用场。

这个场中有六种夸克,这里我们只介绍其中的两种:“上夸克”和“下夸克”。质子中有两个上夸克一个下夸克。

与此对应的中子,英国物理学家詹姆斯首先发现它并因此获得诺贝尔物理学奖,中子里,胶子禁锢了两个下夸克和一个上夸克。

中子和质子能共存于原子核,这一切得益于一种强作用力。

两个胶子,在一瞬间变成了夸克!这时它们成为另一种强作用力的携带者,它们飞奔到附近的夸克监狱时,又变回了胶子,这样的物质交换,让中子和质子能共存,确保了原子核的稳定,参与交换的粒子,那两个胶子(夸克),被称为“介子”,它们携带的力被称为“强核力”,一种非常大的吸引力。日本物理学家预言了它的存在也获得了诺贝尔物理学奖。

而有趣的是,原子的核聚变,让多个原子变成一个原子,自然会有多余的胶子和介子被解放。(就如部门合并会裁员一样),胶子和介子带有质量,而这丢失的质量变成了能量让恒星闪耀。

根据爱因斯坦的E=mc²(E是能量,m质量,c光速),转化而来的能量也很大了,所以太阳如此闪耀。

有了强相互作用力和强核力,当然自然界就有弱核力了。(因为大自然总是像阴阳一样平衡)。

这种力可能会让你恐惧,因为它们和强核力的作用相反,它们能让原子核崩裂,这种量子场成为“弱核力量子场”,它们也有自己的基本粒子和作用力携带者。

“放射性”就是它们的特征之一。

放射性

放射性能对人体造成伤害,人人都知道,也因此,科学家们在研究它时作出了很多牺牲,著名的科学家居里夫人就是其中之一。

要对它研究,我们或许需要在大一点的原子中去探究。

在你身边让你最熟悉的或许就是金原子了。

黄金实在恒星爆炸时产生的,而不是在恒星活着时诞生。

不过金原子还不够大,我们需要对钚-239进行研究。在它的原子核中,会有一个虚拟粒子击中下夸克,让其变成上夸克,于是,一个中子变成了质子,胶子监狱难以平衡了,整个原子就不再平衡。

那些原子疯狂地分裂,变成更小的原子,每个原子核都在争抢电子,这每一步都会有大量的能量释放。这就是弱核力的一种表现形式,其携带者就是W和Z玻色子。

刚才的现象,叫做原子核的自发裂变,放射性衰变。

纵观这次衰变,你会发现能量少了一些,它被一种粒子带走了——“中微子”。它们不受任何阻碍,能穿越皮肤,这似乎很恐怖,它甚至能穿越地球。或许这让你惴惴不安,不过不用担心,这不是对你造成伤害的粒子,而危险的是:夸克监狱,电子和光子。

夸克监狱,也就是两个质子和两个中子,成为“阿尔法粒子”。它们实际上就是失去一个电子的氮原子,所以它们为了保持稳定,就疯狂地从外处寻找电子,当你在附近时,它们就会在你的皮肤上寻找电子,形成了所谓的放射性灼烧。

第二种是高能电子,它能将远处(你的皮肤)上的电子击飞,击飞后,结果可想而知。

第三种是高能光子,如伽马射线,它们也能从原子带走电子,同样的带来灼烧,而更恐怖的是,伽马射线能穿透皮肤,还会对我们的DNA构成威胁,这带来的可能就是基因突变和癌变了。

可见,放射性衰变后果异常可怕,但它也没那么坏,它也创造了我们。

在地幔层,无时无刻都在发生衰变(远古时期或许更频繁),它们释放的这些高能粒子产生巨大热量,让我们地球有了温暖,爆发了地震或火山爆发,这在现在是灾难,但在远古时期,正是这些剧烈的地质变化产生了原始海洋,在其中孕育了生命。

没有放射性,我们也就不存在了。

自此,我们了解了4种作用力:引力,电磁力,强核力,弱核力。他们都有自己的基本粒子。

引力:引力子(或许它不存在,我们稍后会说到)

电磁力:光子

强核力:胶子

弱核力:W和Z玻色子

这里,或许我有必要说说什么是虚拟粒子了。

虚粒子:根据量子力学的不确定原理(之后会提到),宇宙中能量在短暂时间内在固定的总数值左右起伏,在这起伏时间里,会诞生粒子,之后又消失。

当你学习知识时,或许你需要先站在伟人的肩上。

我想我可以很有把握的说,没有人懂量子力学。

理查德·费曼 1965年诺贝尔物理学奖得主

上帝很微妙,但他不会恶作剧。我又很怀疑,或许上帝喜欢恶作剧。

阿尔伯特·爱因斯坦 1921年诺贝尔物理学奖得主

没有任何能够转化为图像的语言能描述量子跃迁。

马克斯·玻恩 1954年诺贝尔物理学奖得主。

那些在一开始接触量子理论时没有感到震惊的人不可能真正理解它。

尼尔斯·1922年诺贝尔物理学奖得主。

物理学毕竟是一门科学,科学就应该从简,于是,有科学家企图将4中作用力统一。

在1979年,三位美国科学家作出了一个惊人的发现:电磁力和弱核力是另一种作用力、另一种场的两种不同表现。被称为“电弱场”。

这为更大理论——一个理论铺下了道路。

真空真的什么都没有吗?

让我们想象一下,给你一个粒子,如果你不去观察,它会沿着什么轨迹运动呢?实际上,一个粒子能经过你想象的所有途径,并且是同时!这是因为量子场会给粒子带来奇怪的效应。

这就的确意味着它分裂成很多自己的影像,这些轨迹填满了空间和时间的所有点,你在任何时间地点都可能见到他,只是概率不同罢了。

再重复一遍,它经过了所有途径,同时。

慢放来看,它出发,似乎分裂了无数自身的影像,成为一种波,然后突然聚集,到达终点(你的检测器吧或许)

其实,这并不可能被侦查到,在没有人观察时,它无处不在,而你观察时,它只在一个地方。

微观世界,看上去是一个由各种可能性构成的混合体。

可能性而非确定性是微观世界(量子尺度)你不得不接受的事实。

在微观世界中,你能看到粒子无中生有地自发形成,在它们消失前,按照一切可能途径运动,然后又转瞬无端消失。

这因为,量子场无处不在。

真空也一样,你可以把空气拿走,但你不能拿走时空,你也无法拿走空气中的量子场,所以,真空中存在量子场。

1948年,荷兰物理学家亨德尔克·卡西米尔研究了这个现象。

卡西米尔效应

想象两块很小的金属板平行相对放置,你应该在脑海中描述这个画面。结果是,它们相互移动了。这个现象被称为“卡西米尔效应”。

原因很简单:两块金属块外面空间大于两者之间,后果就是两板之间产生的虚拟粒子应该和之外的空间不同,两个真空就有所不同,于是就有移动的趋势了。

当电子产品越来越小时,工程师也不得不考虑这种效应。

我们知道,世界上没有相同的两片树叶,但我告诉你,世界上所有的基本粒子(光子等)都是一模一样的。因为宇宙中,所有的基本粒子,都诞生在同一个背景场中,也在任何时候被同一背景场湮没。真空中能量越多,产生的基本粒子也越多。

要想统一他们,需要足够的能量。科学家们称(我也不知道他们怎么计算的)一千万亿度(这个数字似乎毫无意义)能让电磁场和弱核力场统一成“电弱场”。(所以我都不想提电弱场)

但这也不是不可能,你忘了大爆炸了吗?在那个体积足够小,质量无限大的地方,或许能满足这个条件,或许还能统一所有场,或许只有一个场存在。

等等,什么是质量?

百度文科告诉我,质量是改变物体运动状态的难易程度。

那么,谁来改变?

2012年(是的,是这一年人类科学才知道质量的奥秘),科学家在瑞士日内瓦的粒子加速器中唤醒了一种粒子,它是宇宙质量起源,媒体称之为“希格斯粒子”,它的场成为“希格斯场”。

由于希格斯场的存在,原本没有质量的基本粒子可以从中获得能量,粒子通过希格斯场,使其有阻碍作用。光子因为不受希格斯子的影响而不具有质量。

希格斯场

不过,它不代表了宇宙中所有的质量,中子和质子大多数质量来自夸克束缚在其边界的作用力,来自夸克-胶子浓汤。

现在,或许你还是迷惑为什么粒子能凭空产生,天下并没有免费的午餐,因为这其中还有“反物质”。

人类中的一位天才告诉我们:构成我们的物质,行星、恒星等物质,只是所有物质的一半。他就是保罗·狄拉克。当然这个结论不是想象的,而是依据爱因斯坦对于物体高速运动的研究和量子粒子们的奇特行为。顺便说一下,他创建了量子理论,作为结果,他发现了反物质。

在你眼前,一个电子凭空出现。

不同的在于,电子带有电荷,物质能产生可以理解,因为可以由能量转化而来,但电荷就不同了。一个负电荷的出现,而正电荷又没有出现。这不可能。

最简单的答案往往是正确的:正电荷和负电荷(电子)同时产生,这个正电荷我们成为“反电子”。

电子和反电子无中生有地过程叫做粒子-反粒子偶的产生。同样,当他们下次相遇时,它们的质量变回了能量,变成光。

首先探测到反电子的是美国物理学家卡尔·D·安德森。但他取名正电子。因此,他也获得了诺贝尔物理学奖。

这样,反物质诞生了。

反物质相撞湮灭

我们说所有物质都有反物质,不仅电子,还有夸克,胶子,光子……因为光子与反光子都不带电子,所以它们一模一样。

我想我可以毫不负责地说,你本身也有你的反本身,说不定他还在另外一个世界等你呢,或者他分布在世界各处,还未成形罢了。为什么我敢这么断言呢?

任何反粒子都与它对应的正常粒子遇到都会湮灭。

所以,当你在一个反物质的世界里看到你的“反你”的时候,你还是祈求别和他握手吧,否则你们会瞬间湮灭……

现在,或许我要将你带入大爆炸了,因为你已经知道了量子粒子的场。

它们可能被统一。

你知道了质量和反物质。

当你再次来到最后散射面,前面是可以通行的,光无法前行是因为它周围太多能量。现在我们假设你能无视这些能量,它们不会让你湮灭。

你像是在被密集的粒子构成的浓汤中,其中是各种激发态以及基本粒子、作用力携带者。

你逐渐发现,时空被弯曲到惊人的地步。

这里的宇宙有38万年历史。

现在你来到了最后散射面的38万年前,这里原子核都被崩解了,这里没有了强核力,这里有一千亿度。

你现在看到的是各种W和Z玻子,这些在地球上几乎看不到的粒子。

当然,最终,在那个点的附近,我们成为“开端”的,所有的力(除了引力)都被统一,所有的场都被统一,宇宙的物质和能量忽然消失,只有一种基本粒子,浸泡在它的场中。

这就是“暴胀场”。

暴胀时期

在这里,引力带来的时空扭曲过于强烈,量子效应不复存在。

没有了这些,还有什么科学能让我们继续前进呢?

我们先暂时回来,说说我们吧。

因为这些粒子的存在,我们的生活,或者说我们的历史留下了一系列图像在时间和空间的移动。从它们身上反射出来,所有的光和粒子都形成了我们存在的意义。这些影像成为一个以我们为中心以光速向宇宙扩散,成为虽不可见但无处不在的场中的涟漪。

我们已经了解了爱因斯坦主宰的相对论,我们也了解了量子理论,现在我们要综合起来,尽管两者格格不入,现在,我们将引力和量子物理学混合起来,让你在极大和极小的世界穿越。

或许,你早就想了解黑洞了,你发现我们所说的“开端”和黑洞是如此的相似。的确,它们存在很多共性。

不过,我们的黑洞只是和早期宇宙相似吧,和我们所到达的最后点还是有很大差距,我们称那个科学止步的墙为“普朗克墙”,在这个墙的一切数字都被成为普朗克尺度。

普朗克

在这个墙外,也就是黑洞这种尺度,引力只有在考虑了量子效应后才会适用。这似乎是大自然唯一能同时适用两种理论的尺度吧。

或许你应该集中注意力了。

在量子世界里,某事可能发生,那么它一定发生。

哪怕只是两个微小的电子相互作用,在这个过程中产生的虚拟粒子都会有无限多,所以会有无穷多的粒子牵扯其中。这必然意味着宇宙各处都有无穷大的能量。而无穷大的能量必然给时空带来巨大引力效应!那就各处都有黑洞了,这就显然不正确了!

这就是量子理论和相对论的冲突之一。

对于量子力学的科学家来说,解决的办法很简单:除去引力。

而这给他们带来了很多成就,除去了引力,他们预言了很多粒子,甚至精确了它们的质量和电荷。

这个去除引力和无穷多的过程,叫做“重正化”。

但事实上,这样来说,就不是真实的世界了,所以,我们还是把引力拉回来,现在我们想象把引力引入量子力学,想象引力不是时空扭曲造成的,而是引力场和它们的粒子——引力子造成。

所以,我们认为这个场是时空,基本粒子是时间和空间。

这就意味着我们周围有时空的基本小块。它们甚至服从量子跃迁!

换句话说,广义相对论的时空概念和量子理论的时空概念不同。

这样的冲突似乎无法解决了。

在最后一章中我们会为你介绍一个疯狂地理论来解决它。

量子(各种场的基本粒子)在你不观察时呈现量子波动性,但当你检测到时,它们便失去了这种波动性。这种过程叫做“量子波坍缩”。

在物理学中,你无法知道粒子所在的位置和速度。因为你只要观察到了它的位置,它便不再波动,失去了速度。这个规则叫做“海森堡测不准原理”。

现在我们为你介绍一个非常非常著名的量子理论的实验。它的设计者是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔。他将量子效应放到了人类的尺度。

薛定谔的猫

现在,你需要一只猫,一个封闭的盒子,关上后,没有人知道里面发生了什么。你还需要一种放射性材料,它有一半的几率释放放射性。你还需要一把锤子和一个放射性探测器。

简单的说,这只猫有百分之50的几率会死亡,一半的几率会活着。

那么问题来了,猫死了吗?

量子效应出现了,但除非你打开盒子,现在你不要作任何猜测,在真实生活中,在我们的尺度,你可以估计猫是死是活。

在量子世界中,可能发生,就必然发生。

大多数时间,缘于各种不明确原因,各种可能性的叠加不被我们注意到。或者还没到达我们的尺度。

所以猫死了,又活着。

你立刻打开确认,发现它活着。

但你这个动作干扰了实验,因为你造成了“坍缩”。

那么坍缩真的发生了吗?

几年后,薛定谔设计实验,他们用原子和光,验证了量子叠加的真实,他们发现几乎所有量子粒子都能同时以不同且互斥的状态存在。这也是如今量子计算机的基本原理。

所以,在那个时间里,猫既死了,又活着。

那么那只死了的猫去哪儿了?

一些人认为,这和我们的意识有关,我们的动作和思想把现实冻结在了某个状态,因而创造了现实。

这听起来很疯狂不是吗?

当然,我们不会这么解释,我会为你介绍它,或许会让你信服一些,那就是“平行宇宙”。

平行世界

你一定知道坐标系吧,二维坐标系很简单,X方向左右,Y方向上下,所以,你随便画一条线,它的每一个点都想着它的切线方向前进,或上或下。

如今,我们想象在宇宙中,这是一个多维的世界!

平行宇宙

也就是在多维的坐标系上,猫活着在你的这个尺度发生了,

在另一个相反的方向它却死了。现在理解了吗?

在平行宇宙中,所有可能都被实现了。那些我们没有体验的可能性都非常真实,只是存在别处。

宇宙中,任何可能发生的事情必然发生。(墨菲定律)

或许,量子世界让你受够了,也许你还没看懂,又或许你得从头再看一遍。

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