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這是我們發(fā)布的物理學(xué)專欄的第四篇，也是《費(fèi)曼物理》第一冊(cè)第2章的主要內(nèi)容。

量子物理學(xué)

1920年前的那幾年，愛因斯坦首先打破絕對(duì)空間的觀念，把時(shí)間和空間組合在一起，叫做時(shí)-空，然后更進(jìn)一步用彎曲的時(shí)空表示萬有引力。于是，宇宙的舞臺(tái)變?yōu)闀r(shí)-空（相對(duì)論性時(shí)空觀），而引力則可認(rèn)為是時(shí)空的一種改變（廣義相對(duì)論）。

廣義相對(duì)論描述的引力：彎曲的時(shí)空

然后又發(fā)現(xiàn)，在原子世界里，“慣性”和“力”的力學(xué)法則——牛頓定律是錯(cuò)的！實(shí)際上，小尺度上的事物的行為方式是如此“違背常理”，與大尺度上的事物毫無相似之處；而我們對(duì)它沒有任何直接經(jīng)驗(yàn)。因此除了解析方法之外，用任何別的方法來描述這種習(xí)性是不可能的。

——于是就有了量子力學(xué)！

△x△p ≥ h/2π

即動(dòng)量的不確定量和位置的不確定量是互補(bǔ)的，二者的乘積是常數(shù)。該定則被稱為（海森堡）不確定性原理。

遺憾的是，我們現(xiàn)在還無法從日常經(jīng)驗(yàn)中找到直觀的例子來表明這個(gè)觀念，但我們確實(shí)能證明，經(jīng)典物理學(xué)確實(shí)錯(cuò)了，因?yàn)椋?/p>

這條定則解釋了一個(gè)非常神秘的佯謬：如果原子是由正電荷和負(fù)電荷組成的，它們相互吸引，那么為什么負(fù)電荷不是干脆掉到正電荷上，彼此完全抵消？為什么原子有這么大？為什么原子核穩(wěn)坐中央而電子環(huán)繞著它？

開始曾以為，原子核就有這么大；但是不然，原子核非常小。一個(gè)原子的直徑大約有10^-8cm，而原子核的直徑只有約10^-13cm，并且，幾乎原子的全部重量都集中在這個(gè)無比小的原子核上。

圖：原子核和核外電子

是什么原因使電子不掉進(jìn)去呢？就是上面這條定理：如果電子都掉進(jìn)原子核，我們就知道它的精確位置（相對(duì)而言），于是不確定性原理就要求它們具有一個(gè)非常大（但是不確定）的動(dòng)量，也就是一個(gè)很大的動(dòng)能。有了這個(gè)能量，電子就將擺脫原子核！于是它們達(dá)成一個(gè)妥協(xié)：電子為這種不確定性給自己留下一點(diǎn)空間，同時(shí)按照這種定則以最小的運(yùn)動(dòng)量振動(dòng)著。

這也解釋了為什么絕對(duì)零度下，晶體中的原子仍在振動(dòng)。因?yàn)槿绻油Ｖ拐駝?dòng)，我們就會(huì)知道它們的精確位置，同時(shí)知道他們的運(yùn)動(dòng)速度為零，而這是違反不確定原理的。

圖：晶體中的原子在絕對(duì)零度時(shí)仍然在振動(dòng)

量子力學(xué)帶來的另一個(gè)科學(xué)觀念和科學(xué)哲學(xué)上的最為有趣的變化是：在任何情況下都不可能精確預(yù)言將會(huì)發(fā)生的事情。例如，我們有可能使一個(gè)原子處于準(zhǔn)備發(fā)光的狀態(tài)，也能夠通過探測(cè)光子（這很快就會(huì)講到）來測(cè)量一個(gè)原子已經(jīng)發(fā)光。但是，我們無法預(yù)言它將在什么時(shí)候發(fā)光，或者在有幾個(gè)原子的情況下，哪個(gè)原子會(huì)發(fā)光。

就像有一個(gè)原子，在給定條件下，我們用紅球代表它在時(shí)刻1會(huì)發(fā)光，黃球代表它在時(shí)刻2會(huì)發(fā)光，藍(lán)球代表它在時(shí)刻3會(huì)發(fā)光……我們無法預(yù)測(cè)會(huì)摸到什么顏色的球

你也許會(huì)說這是因?yàn)橛心撤N內(nèi)部的機(jī)制在起作用，這種內(nèi)部機(jī)制我們還沒有足夠靠近地觀察過。不，沒有什么內(nèi)部機(jī)制，按照我們今天的理解，大自然的行事方式是，從根本上就不可能精確預(yù)言在給定的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中究竟會(huì)發(fā)生什么事。就像盒子里本來就有各種不同顏色的球，而不是我們之前以為的只有一個(gè)球——按照經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)。

這是一種很糟糕的事；事實(shí)上，哲學(xué)家以前曾說過，科學(xué)的基本要求之一就是，只要有相同的條件，就一定會(huì)發(fā)生相同的事。這并不正確，它不是科學(xué)的一個(gè)基本要求。事實(shí)上，并不發(fā)生相同的事，我們能得到的只是所發(fā)生的事的一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均。

換言之，即使在給定條件下，也有可能——或者說，必定會(huì)——發(fā)生各種事（并且，按照某種理解，最終結(jié)果甚至可以是所有這些可能事件的集體貢獻(xiàn)，例如，著名的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)；我們?cè)诤竺鏁?huì)談到）。我們可以探測(cè)某個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，但不能據(jù)此預(yù)言新一輪實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。我們只能給出一種可能性的預(yù)測(cè)：有多大概率是這樣，多大概率是那樣。（并且這里的概率和我們平常所理解的概率還不是一個(gè)東西，按照量子力學(xué)的觀念，概率中的所有可能性事件是會(huì)同時(shí)發(fā)生的，如果我們不試圖以探測(cè)的方式去破壞它的話?。?/p>

不過，科學(xué)家并沒有因此而完全崩潰?？茖W(xué)的基本假設(shè)、基本哲學(xué)是什么？我們?cè)诘谝徽戮驼f過，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)任何觀念的正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。如果有人告訴我們，同樣的實(shí)驗(yàn)在同等條件下總是產(chǎn)生相同的結(jié)果，那很好；但是如果我們?cè)囘^之后發(fā)現(xiàn)并不是這樣，那就不是這樣。我們僅僅必須接受我們所看見的，然后通過我們的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來形成我們其他的觀念。——比如現(xiàn)在，我們就只能接受小尺度下的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，并承認(rèn)：經(jīng)典物理學(xué)是錯(cuò)的；然后提出量子力學(xué)的觀念。

愛因斯坦：雖然我不愿意承認(rèn)，但……上帝確實(shí)擲骰子——如果你執(zhí)意用經(jīng)典物理學(xué)的眼睛去看它的話

再回到量子力學(xué)和基礎(chǔ)物理學(xué)上來。當(dāng)然，現(xiàn)在我們還不能詳細(xì)講述量子力學(xué)原理，因?yàn)樗鼈儾蝗菀锥?strong>我們將假定已經(jīng)有了這些原理，然后講講它們的某些結(jié)果。

結(jié)果之一是：我們習(xí)慣于視為波的事物也具有粒子的習(xí)性，而粒子也具有波的習(xí)性。事實(shí)上萬事萬物的行為都是這樣，不存在波和粒子的區(qū)分。這就是著名的波粒二象性。

波粒二象性（光是一種電磁波，但是在光電效應(yīng)中卻觀測(cè)到它的粒子性?！?924年德布羅意提出“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為：和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性）

因此量子力學(xué)把場(chǎng)及其波的概念和粒子的概念統(tǒng)一起來，成為一個(gè)統(tǒng)一體。——的確，當(dāng)頻率低時(shí)，現(xiàn)象的場(chǎng)的一面更明顯，或者是一種更有用的通過日常經(jīng)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)象的近似描述。但是隨著頻率增高，對(duì)于我們通常用來進(jìn)行測(cè)量的儀器，現(xiàn)象的粒子的一面就變得更明顯。

實(shí)際上，雖然我們提到過許多頻率，但是迄今并沒有探測(cè)過任何直接涉及10¹²Hz以上頻率的現(xiàn)象。我們只是根據(jù)一條假定量子力學(xué)的波粒二象性成立的定則，從粒子的能量推出更高的頻率的存在。

于是我們對(duì)電磁相互作用就有了一種新看法。我們引入一種新粒子，加入到電子、質(zhì)子和中子的行列中。這種新粒子叫做光子。這種對(duì)電子和質(zhì)子之間的相互作用的新看法叫做量子電動(dòng)力學(xué)，它就是電磁理論，但是其中一切內(nèi)容在量子力學(xué)上都是正確的。

量子電動(dòng)力學(xué)是光與物質(zhì)之間的相互作用，或電場(chǎng)與電荷之間的相互作用的基礎(chǔ)理論，是物理學(xué)中迄今最成功的理論。在這個(gè)理論中，我們得到了除萬有引力和原子核過程外一切通常現(xiàn)象的基本法則。例如，從量子電動(dòng)力學(xué)得出了全部已知的電學(xué)、力學(xué)和化學(xué)定律：彈子球碰撞的定律，導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的定律，一氧化碳的比熱，霓虹燈的顏色，食鹽的密度，氫和氧發(fā)生反應(yīng)生成水，它們?nèi)际沁@個(gè)理論的推論。

康普頓效應(yīng)：將X光受輕元素散射的過程看作光子與電子的碰撞，從而解釋了散射光中出現(xiàn)的波長(zhǎng)變長(zhǎng)的光

如果情況足夠簡(jiǎn)單，使我們能夠做出近似，就能用量子電動(dòng)力學(xué)推出所有這些現(xiàn)象的細(xì)節(jié)；當(dāng)然情況幾乎永遠(yuǎn)不會(huì)如此簡(jiǎn)單，但是常常我們多少能夠理解所發(fā)生的事情。

迄今為止，在原子核之外我們還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動(dòng)力學(xué)的例外，而在原子核里，我們不知道是否有例外，因?yàn)槲覀冞€不清楚原子核里發(fā)生的過程。于是，在原則上，量子電動(dòng)力學(xué)就是全部化學(xué)和生命科學(xué)的理論——如果生命科學(xué)最終可以歸結(jié)為化學(xué)、從而也就歸結(jié)為物理學(xué)的話，因?yàn)榛瘜W(xué)已經(jīng)歸結(jié)為物理學(xué)。

不僅如此，量子電動(dòng)力學(xué)這個(gè)偉大的理論，還預(yù)言了許多新的事實(shí)：

首先，它說明了甚高能光子、γ射線等的性質(zhì)。

其次，它還有另一個(gè)重要的預(yù)言：在電子之外，還應(yīng)當(dāng)存在另外一個(gè)質(zhì)量相同、但是電荷反號(hào)的粒子，叫做正電子，這兩種電子碰到一起時(shí)，會(huì)彼此湮滅而發(fā)射光或γ射線（歸根結(jié)底，光和γ射線是一回事，只是頻率不同）。這個(gè)事實(shí)的推廣，即每一種粒子都有一種反粒子，也被發(fā)現(xiàn)是正確的。比如反質(zhì)子、反中子什么的。

正負(fù)電子碰撞湮滅 

事實(shí)上，如果兩個(gè)粒子可以相互湮滅而轉(zhuǎn)化為純能量（光），那么我們就說這兩個(gè)粒子互為反粒子。例如，光子就是自己的反粒子，而最近刷屏的馬約拉納費(fèi)米子，也是自己的反粒子。

在量子電動(dòng)力學(xué)中，還引進(jìn)了兩個(gè)數(shù)值，認(rèn)為世界上大部分其他數(shù)值都可以從這兩個(gè)數(shù)值推導(dǎo)出來。這兩個(gè)基本數(shù)值就是電子的質(zhì)量和電子的電荷。實(shí)際上，事情并非完全如此，因?yàn)榛瘜W(xué)中還有一套數(shù)據(jù)，告訴我們不同的原子核有多重。這就把我們引向下一個(gè)題目——原子核和粒子，或曰，核力的起源。我們將在下一期討論。

好了，今天就到這里，請(qǐng)大家自行下去重塑三觀?。ɡ斫饬孔恿W(xué)是不可能的，但仍不妨礙我們學(xué)習(xí)它的數(shù)學(xué)描述——可以說是非常簡(jiǎn)潔和優(yōu)美！我們還會(huì)探討相關(guān)實(shí)驗(yàn)，例如：電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。大概在，第十二期左右吧，認(rèn)真臉

）

最后的最后，——給大家講個(gè)段子：

有一天，海森堡開車被交警攔下，交警問他：“你知道你開得有多快嗎？”

海森堡回答說：“我不知道，但我很清楚我在哪?！?/p>

……吼~那你好瘦的(╯□╰)

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