#新作者扶植計(jì)劃 第二期#

量子是什么？我們簡(jiǎn)單理解為最小的“東西”，小到無(wú)法分割的“物質(zhì)”。

原子光譜的謎團(tuán)

大部分物質(zhì)是由分子構(gòu)成，不同分子由不同原子或數(shù)量組成，原子又由原子核和核外電子組成，每種原子都有自己的光譜，原子光譜是原子中的電子在能量變化時(shí)發(fā)射或者吸收的特定頻率的光波。

如圖所示，激發(fā)原子中的電子至高能狀態(tài)，電子躍遷時(shí)所發(fā)射的光波，經(jīng)過(guò)分光儀后分散的光譜，按照電磁波理論，這些譜線應(yīng)該是連續(xù)的，就像彩虹那樣顏色和顏色之間應(yīng)該是連接的，而不是一條一條的散開來(lái)，這個(gè)迷題讓無(wú)數(shù)科學(xué)家解不開。還有光電效應(yīng)和黑體輻射之謎，這里就不舉例了。

小知識(shí)：每個(gè)原子的光譜都不一樣，原子光譜就像人類的“指紋”，每個(gè)指紋對(duì)應(yīng)著一個(gè)人。

量子化的假設(shè)

1900年德國(guó)科學(xué)家普朗克提出石破天驚的假設(shè)，“電磁波輻射的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的傳播”，在當(dāng)時(shí)的世界觀看來(lái)這說(shuō)法太“玄幻”了，有點(diǎn)“離經(jīng)叛道”的感覺，就連普朗克本人都質(zhì)疑該的理論。

隨著普朗克更深入的研究與思考，提出電磁波輻射的能量最小單位是hν，這個(gè)單元成為能量量子，既然它是最小的單位，那么輻射的能量將是hν的倍數(shù)化。即輻射的能量多少為：E = hν ~ 2hν ~ 3hν ~ 4hν……

hν：h為普朗克常數(shù)，h=6.626×10?3?J?s，這么看似乎沒(méi)感覺有多小，但換成數(shù)字為：h=0.0000000000000000000000000000000006626J?s，小到無(wú)法想象。

ν為電磁波頻率。

雖然普朗克本人也覺得不太靠譜，加上許多科學(xué)家的質(zhì)疑，也難怪太不可思議了，但是他提出的量子化假設(shè)卻把科學(xué)引進(jìn)了量子物理。該假設(shè)卻成為量子革命的開端。

量子力學(xué)的建立

愛因斯坦曾經(jīng)評(píng)價(jià)“普朗克提出了一個(gè)全新的，從未有的概念，能量量子化概念”。為了研究量子問(wèn)題，海森堡、玻恩和約爾丹創(chuàng)造出矩陣力學(xué)，思想出發(fā)點(diǎn)針對(duì)波爾模型中的許多觀點(diǎn)，比如電子的軌道、頻率等都不是可以直接觀察的。同一時(shí)間薛定諤根據(jù)微觀粒子的波動(dòng)性創(chuàng)造出波動(dòng)方程來(lái)描述粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立起波動(dòng)力學(xué)。

波爾模型：波爾提出了電子在原子核外面的量子化軌道進(jìn)行繞原子核運(yùn)動(dòng)。電子躍遷到另外一個(gè)軌道后會(huì)發(fā)射或吸收能量。比如電子吸收能量后，會(huì)躍遷到離原子核更遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)。

剛開始時(shí)海森堡和薛定諤兩方互相排斥，但是兩方的理論都能解釋相同的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這就有點(diǎn)說(shuō)不過(guò)去了。到了1926年狄拉克運(yùn)用數(shù)學(xué)原理把矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)， 先讓“兩派”結(jié)合形成有邏輯的、能融洽的理論體系，統(tǒng)稱為量子力學(xué)。兩年后再把愛因斯坦相對(duì)論引進(jìn)量子力學(xué)，比如接近光速的運(yùn)動(dòng)電子，應(yīng)該用相對(duì)論量子力學(xué)去解決。

波粒二象性

上面簡(jiǎn)單的介紹了量子力學(xué)的假想和建立，下面我們來(lái)介紹粒子的基本知識(shí)。

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

如上圖，用一種顏色的光平行照射S縫，通過(guò)S′和S″兩縫后在最右邊屏幕顯示出一系列條紋。條紋展開如下圖，

明顯可以查看到明暗的干涉條紋，證明了光具有波動(dòng)性。光從兩縫通過(guò)后，波峰和波峰疊加形成亮條紋（圖上白色條紋），波峰和波谷疊加形成暗條紋（圖上黑色條紋），類似于日常生活中的兩個(gè)水波疊加現(xiàn)象。人們認(rèn)為光是通過(guò)“光量子”傳播，光子也是一種粒子。光具有波粒二象性。

1.量子的“詭異” —— 神奇的干涉條紋

平常生活中人們對(duì)波動(dòng)的干涉理解為，必須具備兩個(gè)波源相互影響，波峰疊加形成亮條紋。比如水波的干涉，必須有兩個(gè)水波才能形成干涉。用楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)辦法，經(jīng)過(guò)電子發(fā)射搶發(fā)射一束電子，屏上也會(huì)顯示出干涉條紋。

講到這里，很多人可能說(shuō)發(fā)射一束電子，由于電子具有波的性質(zhì)，大量的電子相互干涉產(chǎn)生干涉條紋似乎沒(méi)有什么可奇怪的。的確也沒(méi)什么奇怪的，但是接下來(lái)再做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，這次把電子槍調(diào)一下，一次只發(fā)射一個(gè)電子，按照我們正常的思維，那么這個(gè)電子肯定會(huì)穿過(guò)其中的一條縫射在屏上，還能發(fā)生干涉條紋不成？

這可不一定了！電子一個(gè)一個(gè)的發(fā)射，等到上一個(gè)發(fā)射完打到屏上，在繼續(xù)發(fā)射下一個(gè)電子，剛開始電子雜亂無(wú)章的在屏上呈現(xiàn)，但是隨著發(fā)射越來(lái)越多電子的時(shí)候，屏上竟然出現(xiàn)了干涉條紋！我看看下圖

第一張發(fā)射了7個(gè)電子，沒(méi)什么規(guī)律似乎隨便分布，第二張發(fā)射了100個(gè)電子，也沒(méi)看出什么，隨著發(fā)射3000、20000、70000后，到了第五張圖明顯出現(xiàn)了干涉條紋！這究竟是怎么回事呢？電子是自己和自己干涉的嗎？無(wú)論是一起發(fā)射還是一個(gè)個(gè)的發(fā)射，干涉條紋都一樣。用其它的粒子來(lái)做實(shí)驗(yàn)也是這個(gè)結(jié)果，得出結(jié)論：單個(gè)粒子也能表現(xiàn)出波動(dòng)性。隨著中子、質(zhì)子及原子等粒子都證明具有波的性質(zhì)，最后確定了所有實(shí)物粒子都具有波粒二象性。

結(jié)論是有了，但還不知道為什么會(huì)這樣！

2.量子的“詭異” —— 喜歡捉迷藏的電子

不知道上面的雙縫實(shí)驗(yàn)中，大家有沒(méi)有想到一個(gè)問(wèn)題，電子究竟是從哪個(gè)縫穿過(guò)到屏上的？會(huì)不會(huì)是電子的“分身術(shù)”，一分為二同時(shí)從雙縫進(jìn)去，并且發(fā)生干涉？為了搞清這個(gè)科學(xué)家想到了一個(gè)辦法，那就是在兩縫后面都裝上光子探測(cè)器，由于電子會(huì)散射光會(huì)被光子探測(cè)器捕捉到。比如電子從縫1穿過(guò)，則縫1附近會(huì)有閃光，縫2也一樣道理。

實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)一個(gè)的發(fā)射電子，等上個(gè)電子打到屏上再發(fā)射下一個(gè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是電子要么從縫1穿過(guò)要么就是從縫2穿過(guò)，所謂的“分身術(shù)”并沒(méi)有，電子如果從縫1穿過(guò)，那么就會(huì)落在縫1后面的位置，如果從縫2穿過(guò)就落在縫2后面位置，但是干涉條紋卻不見了！只有縫1和縫2對(duì)應(yīng)的兩條紋。

有科學(xué)家不甘心，認(rèn)為是通過(guò)光子探測(cè)器觀測(cè)的緣故，由于光子會(huì)和電子碰撞干擾，導(dǎo)致干涉條紋消失，所以把光的強(qiáng)度調(diào)的很小，但是發(fā)現(xiàn)觀測(cè)到的電子老老實(shí)實(shí)的落在單縫后面位置，而沒(méi)被觀測(cè)到的電子就落在了雙縫干涉位置！簡(jiǎn)直無(wú)法置信！

再來(lái)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，這會(huì)的不調(diào)光的強(qiáng)度了，調(diào)光的頻率，公式p=hν/c，頻率越低光子的能量和動(dòng)量就很小，干擾因素很低，這會(huì)雙縫干涉條紋又出現(xiàn)了，但由于頻率低和電子碰撞散射的光子完全模糊，已經(jīng)看不清電子從哪個(gè)縫穿過(guò)了，這會(huì)科學(xué)家也很無(wú)奈。

公式：根據(jù)E=mc2，E=hν，p=mc。得出：p=E/c=hν/c

似乎電子在玩“捉迷藏”，當(dāng)你看它時(shí)就老老實(shí)實(shí)的落在所穿過(guò)的縫后方，不看它時(shí)就落在雙縫干涉條紋的位置，無(wú)論怎么都不會(huì)讓你發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)行軌道。

3.量子的“詭異” —— 量子糾纏

愛因斯坦和幾個(gè)同事發(fā)表論文提出量子的糾纏態(tài)，沒(méi)錯(cuò)，又是愛因斯坦，他除了是相對(duì)論的創(chuàng)始人同時(shí)也是量子力學(xué)的奠定人之一。具體的論文表達(dá)了：有一定關(guān)系的一對(duì)粒子，無(wú)論距離有多么遠(yuǎn)，只要對(duì)其中的一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，可以瞬間影響到另外一個(gè)粒子的屬性。

一對(duì)粒子無(wú)論距離有多遠(yuǎn)也能夠做到瞬間反應(yīng)！愛因斯坦稱其為“幽靈般超距作用”，簡(jiǎn)單理解為有一對(duì)粒子，一個(gè)在地球，另一個(gè)在銀河系外面，當(dāng)我們對(duì)這個(gè)粒子測(cè)量時(shí)，銀河系外面的粒子馬上做出反應(yīng)改變狀態(tài)，它們究竟是通過(guò)什么“傳遞信息”呢？這種傳遞速度連光速都無(wú)法比擬。

科學(xué)也經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子糾纏現(xiàn)象，但至今未能解釋其原理。

總結(jié)與思考

微觀世界的粒子性質(zhì)是如此神奇，“干涉條紋”、“捉迷藏的電子”和“量子糾纏”簡(jiǎn)直讓人無(wú)法理解。電子的捉迷藏中，哥本哈根派解釋其實(shí)電子是不存在的，只有我們測(cè)量或觀察的時(shí)候才存在，愛因斯坦回答“你是否相信，我們沒(méi)有看月亮?xí)r候，月亮就不存在了”，愛因斯坦說(shuō)的也有道理，但也不能完全排除哥本哈根派的說(shuō)法。舉一個(gè)例子，我們拿來(lái)一個(gè)密封的空盒子，它里面什么都沒(méi)有，但是我們打開盒子來(lái)看，它里面就存在滿“光子”。

微觀世界之所以神奇是因?yàn)榱Ｗ拥臉?gòu)成因素，粒子之間都存在著波動(dòng)疊加態(tài)，由于會(huì)受到外界因素的干擾，比如光、磁場(chǎng)等諸多因素都會(huì)疊加態(tài)退去，量子力學(xué)有個(gè)退相干理論，如果環(huán)境中有大量的粒子“干擾”，那么退相干的時(shí)間會(huì)相當(dāng)快，幾乎是瞬時(shí)的，這個(gè)得到了科學(xué)的證實(shí)并且可以計(jì)算出退相干的時(shí)間。

這個(gè)結(jié)論想想都不可思議，根據(jù)量子糾纏超距和退相干因素，我們每個(gè)人都是跟宇宙聯(lián)系疊加在一起，由于退相干原理使得我們才可以保持著“整個(gè)人”的狀態(tài)！那么粒子間是通過(guò)什么作用疊加在一起呢，用宏觀物理角度是無(wú)法尋求答案的。

如果把量子不是實(shí)物粒子而是一股能量，比如電子，這股能量來(lái)自量子空間的局域震動(dòng)（振幅小擴(kuò)散，振幅大吸收），也是有質(zhì)量的，“光子”也是一樣（詳細(xì)理論請(qǐng)查看我寫的宇宙新模型與12維空間），由于“光子”本身能量結(jié)合電子能量形成更大質(zhì)量的能量體，導(dǎo)致能量不易散播，干涉條紋也就沒(méi)有了，電子由于能量/質(zhì)量變大具有實(shí)物粒子的特征，造成退相干現(xiàn)象。

量子糾纏中，所用的傳遞信息是“振幅”更小的量子局域空間，至低于光振幅的1/4，所以超光速傳遞，“實(shí)物基本粒子”能量/質(zhì)量太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)速度，再怎么加速也無(wú)法達(dá)到，如果假設(shè)真的超過(guò)了光速，這個(gè)空間支撐不了將會(huì)破裂開，跟量子糾纏傳遞原理不一樣。如果想不通就慢慢想，思維上的理論，只作為參考非一定正確。

注：三維空間為基礎(chǔ)的思考。避免了M/弦理論的科幻和多維空間的煩惱。

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