快速學(xué)習(xí)量子物理

1、波爾的模型

廢話少說，我們先不談黑體輻射和波粒二象性，我們先來看最簡單的，大家初中就學(xué)過的——原子的結(jié)構(gòu)模型。大家都知道了，這個世界不是什么陰陽二氣金木水火土五行構(gòu)成的，物質(zhì)就是由微觀粒子構(gòu)成的，隨著實驗手段探測工具的進步，各種神奇粒子都在不斷被發(fā)現(xiàn)，我們就來說一個最基本的——原子。

大家還記得原子的模型么？八九十年代我國提出“四個現(xiàn)代化”口號的時候，大街上很多這種科技宣傳畫。

對，就是這樣的科技宣傳畫，電視廣告也常用，這就是科學(xué)史上一個著名的原子模型“波爾模型”，原子核在中間，電子在外層不同的軌道上旋轉(zhuǎn)，波爾是哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖和奠基人，也是量子力學(xué)的開山祖師，但這個模型是徹底錯誤的。他這個模型的真實還原版如下——

大家，仔細看，這像不像一個太陽系行星軌道？原子核帶正電荷，核外電子帶負電荷，原子整體呈中性。這個模型比他的前輩盧瑟福、道爾頓是高明得多，湯姆生一度以為原子是個大西瓜，電子如同西瓜子一樣嵌在原子核上。那么波爾這個先進的模型錯在哪里？畢竟這個模型可以解釋所有的化學(xué)反應(yīng)，以及部分物理實驗結(jié)果。

那么第一個有意思的悖論來了——道理很簡單，它違背了電磁學(xué)的所有原理。

大家都知道點電荷圍繞原子核做圓周運動的話，等于形成了一條環(huán)形電流，而“電流的磁效應(yīng)”告訴我們，環(huán)形電流會產(chǎn)生磁場（初中物理），說的更正確一點叫做——變化的電場產(chǎn)生磁場（高中物理）——一個點電荷產(chǎn)生的電場再產(chǎn)生磁場再產(chǎn)生電場.......毅種循環(huán)，這就是電磁波了——你的wifi信號。也就是說，電子如果真像地球繞著太陽轉(zhuǎn)那樣繞著原子核轉(zhuǎn)的話，它會向外發(fā)射電磁波，那么根據(jù)能量守恒定律，這個電子總能量在衰減，他的動能和勢能也會衰減，他速度會越來越慢，軌道高度R會越來越低，最終跌落在原子核上？

大家想一下，這個推論沒有任何問題吧？

但是電子掉落在原子核上這個事實卻沒有發(fā)生，永遠不會自己發(fā)生，現(xiàn)實中不存在，為什么呢，大家看看自己的身體，你的身體有沒有因為電子掉到原子核上而崩潰，有沒有因為這件事而變成閃電超人？

所以這件最普通不過事實就否定了波爾的模型，也指出了一個真理——宏觀世界的電磁學(xué)原理到此為止了，偉大的麥克斯韋被擋在門外了。（在這里我再說一個大家必須記住的真理，物理學(xué)沒有一條原理是真理，他們只是在諸多特定的條件下，不斷接近真理，你要說所有的物理學(xué)都是胡說八道——其實也有一定道理）。

最近最接近真理的模型是這個——

第二個結(jié)論解釋起來有點麻煩，不記得初中物理有木有講過光的波粒二象性，如果文科朋友高中做過楊氏雙縫干涉實驗就好理解了。愛因斯坦不是搞出了光電效應(yīng)嘛？那么“光”是什么東西？為什么特定頻率的光照一下那個不知名的板子，那個板子就會帶電？既然△E=hv，那么光就具有能量咯，廢話，啥東西都有能量，既然光有頻率，那么他就是一種波咯？說對了，某種意義上他就是一種波，可以說什么東西都是波。無線電、紅外線、伽馬射線、紫外線、可見光都是一種東西，都是電磁波的一種，只不過頻率不同而已。頻率v越高，能量越大，原子彈爆炸發(fā)出的爆炒廣島那玩意兒就是伽馬射線，他和太陽光、手機的光、WIFI信號沒有本質(zhì)區(qū)別，頻率極高而已。然而，光電效應(yīng)公式又說了，不是特定頻率的光，你照多久都沒用，特定頻率的光，一個光子就足夠激發(fā)電子了......等等，你不是說光是一種特殊的電磁波嗎，光子是什么東西？愛因斯坦那時候的解釋是，光波只能一段一段不連續(xù)地被吸收，就和能量子一樣，所以被稱為“光量子”。但這不是最終的解釋，最終的解釋是個顛覆一切的可怕魔鬼。我們做過雙縫干涉實驗是吧，既然都能干涉了，那么光肯定是波啊，這個不需要解釋。解釋一下干涉，波其實振動在介質(zhì)中的傳播（當(dāng)然這個說法最終也不對，光不需要介質(zhì)）。波不是直線前進的子彈，子彈撞墻了不能繼續(xù)飛，而波能繞過去，這叫“衍射”。而兩個不同的波相遇的時候，會發(fā)生干涉，比如你在水中連丟倆石子，會出現(xiàn)兩股水波，波峰與波峰相遇，會疊加，波紋更高，波峰與波谷相遇，波紋會削弱，這就是干涉。

那，就是這個樣子的。這個初中物理也有。我們來討論光的干涉，如果你隨便把兩個手電筒打在一起，肯定看不到干涉條紋的。只有兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個普通獨立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

為使合成波場的光強分布在一段時間間隔Δt內(nèi)穩(wěn)定，要求：①各成員波的頻率v（因而波長λ）相同；②任兩成員波的初位相之差在Δt內(nèi)保持不變。（這里看不懂可以跳過，意思是普通光源不能做這個實驗，但高中和大學(xué)實驗室的激光器，完美解決了相位差的問題）

實際情況是這樣子滴——

這個只能證明一個問題，那就是，廣是一種波，波長很小頻率很大的波。但為什么說魔鬼出現(xiàn)了呢？下面是見證奇跡的時刻，如果給你一個完美的黑暗房間，不受其他光源干擾，用能發(fā)出單個光子的光源做這個實驗，光子一個一個地打過去（別懷疑，這個實驗條件地球上具備，而且成功了）。

那么我們隨便先來十發(fā)光子，會在背景墻上發(fā)現(xiàn)，光子落得滿地都是，亂七八糟，毫無規(guī)律，但是我們來個三百萬發(fā)，再看結(jié)果，卻發(fā)現(xiàn)那么多星星點點如同細沙子的光斑堆成了了一道一道光的波紋？如下——

見鬼了，問題在哪里？問題是——我們是一個一個打出光子的啊，如開槍一樣，后一個光子不是智能生物，不可能知道前一位光子的落點啊，他們怎么商量好落腳點的？難道他們之間可以溝通？黑屋子里沒有其他光子，單個光子和誰干涉的？和自己？自己干自己？肯定有鬼。

事實上，當(dāng)光子穿越雙孔的時候，我們不知道它到底穿過了哪個孔？有可能是左邊，也有可能是右邊，他不可能同時穿過兩個孔，他不是孫悟空。常識告訴我們，宇宙的選擇是確定的，但常識錯了。如果我們擋住其中一個縫隙，可怕的事情發(fā)生了，干涉條紋消失了。于是薛定諤寫出了偉大的薛定諤概率波方程。

他說量子態(tài)是一種概率波，有兩個狀態(tài)，可以彌散，可以坍縮，類似于函數(shù)的發(fā)散和收斂，可以復(fù)習(xí)一下高中學(xué)的“楊氏雙縫干涉”，單個光子連續(xù)穿越雙縫形成干涉條紋，但你無法知道光子到底走的是哪一個縫隙。如果你知道了，就無法形成波動性質(zhì)的干涉條紋——觀察者改變世界——這有點唯心主義的意思，但卻是被實驗證明的真理。單個

光子是一團概率云，穿過的一瞬間他坍縮了，選擇了一個出口而已。后來德布羅意發(fā)揚光大，把波粒二象性推廣到所有物質(zhì)上，事實也證明了，電子也可以在晶格實驗中產(chǎn)生類似波的干涉條紋。明白了么，JRS，你們也是波。

而海森堡提出了“測不準原理”，——粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性與動量的不確定性遵守不等式，h是約化普朗克常數(shù)。海森堡認為——測量這動作不可避免的攪擾了被測量粒子的運動狀態(tài)，因此產(chǎn)生不確定性。就是說，觀察者會影響事件的結(jié)果，量子力學(xué)范疇中，測量不是只有實驗觀察者參與的過程，而是經(jīng)典物體與量子物體之間的相互作用，不論是否有任何觀察者參與這過程。說的更唯心一點，那就是“風(fēng)動，幡動，還是和尚心動？”

量子力學(xué)的非主流說法，始作俑著也是海森堡，他用泊松括號做矩陣乘法，得出一個沒有意義的物理量——就是那個位置和動量相乘的玩意兒，結(jié)果沒人看得懂。后來一群學(xué)計算機的美國人發(fā)揚光大，不承認薛定諤的方程和概率波，說“彌散”和“坍縮”都是胡扯，他們提出“多世界理論“——注意這也不是胡說，這是量子計算機的理論基礎(chǔ)！“多世界”不是大家想象中的“平行宇宙”——事實上，他們認為，宇宙只有一個，“多世界”，是宇宙在不同維度的投影。所以不是不確定事件有確定的結(jié)果，但是發(fā)生在不同的世界，而觀察者只看到一個投影世界中的結(jié)果。他們的意思是——光子不是什么概率波，而是一顆子彈，穿過雙縫的時候，我們的世界分裂了，平原甲看到光子穿越左邊的孔，平原乙看到光子穿越右邊的孔，兩個世界繼續(xù)發(fā)展下去。

舉個例子，“薛定諤的貓”，箱子打開后，貓不是“生”就是“死”，好像從兩種狀態(tài)“坍縮”到一種狀態(tài)，函數(shù)收斂得到一個定值，但“多世界”理論派認為，不是坍縮了，而是世界分裂了，一個世界中的你看到貓死了，另外一個世界的你看