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Quantum History

量子力学趣味简史。

量子力学文化的本源:诡秘。

爱因斯坦死不瞑目,普朗克从花样少年变成毁容大叔。

做好思想准备。

一 两朵乌云:经典物理的终结,量子力学的开端

1900年元旦这天,热力学之父、开尔文男爵威廉·汤姆森在一个演讲中说:“在已经基本建成的物理学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了……但是,在物理学晴朗的天空的远处,还有两朵小小的令人不安的乌云”。 也就是,这有点怪。 这两朵乌云都和光有关。一个是光速为什么在各个方向都不变,我们知道这导致爱因斯坦发现了狭义相对论。另一个,是关于黑体辐射。

普朗克和爱因斯坦通过解决黑体辐射和光电效应,迈出了一步:光是一种粒子。

二 物质无限可分?原子中的“幽灵”

原子的世界被打开了。

三 量子世界的规律初现:波粒二象性

德布罗意提出了一个统一的物质“波”理论!

四 物理学的探索边界,量子世界的核心规则:不确定性

量子力学的真正观点不是“测不准”,而是“不确定”。不是你的能力问题,是电子的本性问题。

五 量子力学开始正规化:波函数

薛定谔写下了波动方程,玻恩揭示了波函数的意义。到底“上帝掷不掷骰子”,物理学家分为两个阵营。

六 波函数中的概率,把不可能变为可能:量子隧穿

你选择哪种理解都可以,要点是量子隧穿是个真实的现象。

你把人的质量带入薛定谔方程求解,理论上也有一个不为零的概率,人可以穿墙而过。但是那个概率实在是太小太小了。让一个人不停地试验,每秒钟撞一次墙,他试验到宇宙年龄那么长的时间也不会有一次成功。

七 把电动力学、薛定谔方程和狭义相对论统一的“量子电动力学”:狄拉克方程

那么按照物理学家的常规操作,下一步就是看看这个新方程能不能解出新的物理学来。

  • 正电子
  • 自旋

八 量子力学世界的最后一块拼图:泡利不相容

哪有什么岁月静好,不过是微观的粒子们替你诡秘前行。现在我们的量子力学知识已经差不多可以解释一下,日常世界为什么是这个样子。

泡利不相容原理的本质就是,“两个全同费米子的波函数,一定是交换反对称的”。 简单来说, 之所以有化学,是因为泡利不相容原理; 之所以有泡利不相容原理,是因为费米子波函数是反对称的; 之所以费米子波函数是反对称的,是因为自旋; 之所以有自旋,是因为量子电动力学。 设定了量子电动力学,你就设定了原子核以外的世界。

九 全同粒子的怪异行为:费曼规则

在微观世界里,两个电子,却是完全相同。

全同粒子不仅仅是外观和物理性质一样,而且在根本上、在数学上,都是无法区分的。

十 爱因斯坦的最后一战

此后三十年间,尽管不理解那个“鬼魅般的超距作用”,基本粒子物理学照样突飞猛进。谁还会关心爱因斯坦的质疑呢? 1955年,爱因斯坦孤独地去世了。 但玻尔并没有忘记那些辩论。玻尔在1962年去世。在玻尔去世前一天用过的黑板上,人们发现一个图形。 那正是爱因斯坦光盒。

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