日期:2013-03-24 18:12:15
物理学,至少到目前为止,还是一种描述自然界的学问。牛顿力学一度让人认为是宇宙的本质,仅仅是因为“它可以解释太多现象”而给人造成的错觉。而且即便牛顿力学真的可以解释一切,它也解释不清楚为什么存在“万有引力”。
牛顿力学可以用简洁的方式描述运动,麦克斯韦方程可以用简洁的方式描述电磁,量子力学也是用一种描述“波粒二象性”等行为的方式。
为什么采用数学公式?因为数学公式可以把世界描述的准确、简单。你能想到更好的方式描述世界,预测世界吗?
没有人说数学公式是宇宙的本质,也没有人知道为什么世界是公式描述的这样。我们看到了世界,选择一种最好的方式描述它,仅此而已
日期:2013-03-25 08:14:31
三十、此路是我开,此树是我栽……谁把他放跑了!
如上图所示,一个圆柱体上有一个类似于螺纹的凹槽。圆柱体以恒定不变的速度旋转。将中子从左侧射入,然后在右侧用中子计数器记录成功穿过去的中子的数量和速度。
如果按照我们的常识,肯定是中子的速度刚刚好等于某个值时才有可能穿过。这个速度值要满足走过圆柱体的长度所用的时间刚好等于圆柱体转过上图中α度所用的时间。
然而,实验结果告诉我们并非如此,穿过去的中子的速度并不固定,而是一个范围内的统计分布。
日期:2013-03-25 08:26:26
三十一、魔镜
我们要再一次提到镜子,每天都能用得到的镜子。
我们都知道镜子可以反射光,所以我们可以在里面看到我们的影像。这似乎一点都不稀奇。但还是那句话:万事就怕较真。我们知道光是光子组成的,我们仔细分析下照镜子时光子的行为,就会发现相当的不可思议。
光子从我们身上出发,走到镜子表面,与镜子表面的一个原子发生作用。此时并非全部光子都按照反射路径走,而是有一部分按照反射的角度被原子重新发射出来,而另一部分会被原子按照折射的角度发射到镜子内部,它们会被镜子的内表面再次反射等等等等。
到这里仍然也没有什么好神奇的。但是我们只考虑光子到达镜面的第一次反射和折射行为。光子要么反射要么折射。
实验表明光在镜子表面发生反射的几率和镜子的厚度有关系。这看起来似乎也并不神奇。但我们要和上面所说的光子和原子的作用过程联系起来的话,也许就会感觉到不可思议:镜子表面的原子必须知道自己正下方镜子的厚度,它才可以根据这个厚度来设定光子反射和折射的几率!
魔镜魔镜告诉我……
下面我们要进入科学盛会,开始领略爱因斯坦和玻尔的精彩对弈。
日期:2013-03-25 15:12:39
三十二、盛会开幕
1927年,第五次索尔维会议举行,会议主题即为量子理论。之所以说这是一次空前的科学盛会,是因为在受邀的29名科学家中,有17名获得了诺贝尔奖。
上图为本次会议29名科学家的合影。
(第三排:奥古斯特?皮卡尔德、亨里奥特、保罗?埃伦费斯特、爱德华?赫尔岑、顿德尔、埃尔温?薛定谔、维夏菲尔特(en:E. Verschaffelt)、沃尔夫冈?泡利、维尔纳?海森堡、拉尔夫?福勒、里昂?布里渊
第二排:彼得?德拜、马丁?努森、威廉?劳伦斯?布拉格、亨德里克?安东尼?克雷默、保罗?狄拉克、阿瑟?康普顿、路易?德布罗意、马克斯?玻恩、尼尔斯?玻尔
第一排:欧文?朗缪尔、马克斯?普朗克、玛丽?居里、亨德里克?洛伦兹、阿尔伯特?爱因斯坦、保罗?朗之万、查尔斯?欧仁?古耶、查尔斯?威耳逊、欧文?理查森 )
此时量子力学发展的相当深入,然而却各执己见,毫不统一,比如薛定谔仍然坚持自己的波包即是电子的观点,并拒绝承认不连续性。
这次会议开始几乎每人都上台发表了自己的观点,并讨论热烈,最终玻尔为首的哥本哈根派获得了胜利,从此哥本哈根的解释几乎可以等同于量子力学本身。
当其他人发言时,爱因斯坦始终保持沉默,一言不发。在闭幕上玻尔做了最后的演讲后,爱因斯坦走上台去说:“很抱歉,我没有深入研究过量子力学,不过我还是愿意谈一些一般性的看法。”
就此,量子大论战拉开了序幕。
日期:2013-03-25 15:49:38
三十三、第一回合:玻尔获胜
爱因斯坦画下了类似于上面的图形,然后开始了自己的论述。
电子或光子经过挡板上的狭缝发生衍射,当他们打在显示屏的一点时,那一点将亮一下。按照量子力学,这个过程有两种解释方式。
假如电子的存在形式是概率,并不真实地处于某个位置。那么当它打在显示屏以前,显示屏上的任何一点都有被点亮的可能。问题在于,当电子打在显示屏上的某一点时,其他所有点被点亮的可能性将同时立即变为0。这个作用将是完全不需要时间的,超光速的。
显然,爱因斯坦认为这种作用是不可能存在的,所以他接下去分析另外一种解释方式。
对于一个电子,它真实地处在某一点,或者说有着一定的路径,只不过对于不同的电子路径不相同。那么我们就可以根据电子打在显示屏上的位置,反推出电子的路径,也就可以准确计算电子的动量。那么既精确知道了电子的位置(显示屏被点亮处),又可以知道它的动量。所以测不准原理是错误的。
爱因斯坦说完后,玻尔显得不知所措。他说:“我不明白他想表达什么,但我知道这一定是我的错”。然而等到晚餐时,他便找到了爱因斯坦的破绽。
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