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天童老僧:给一些关于量子方面的知识

2017-10-22  老夫不请...

  2017-09-03 根据天童老僧收藏的文章整理

             给一些关于量子方面的知识

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    宇宙中所有物质都由原子构成,那么原子又是什么?当你把金戒指连续2627次对折后,最小的那块就是黄金的最小单位——金原子。

由此看来,“一尺之物,日取其半,万世不竭”只是一个形式逻辑,我们能谕其意,却不知道它适不适合微观世界。

量子世界是由基本物质和光组成的。如果你带着“量子眼镜”去看两块磁铁之间会有什么的时候,你会看到摇摆的原子,当它们无限接近时,突然!一束光闪现,再接近,越来越多的光珠出现,或许你快被闪瞎了。这是一种神秘的力——电磁力。电磁力由虚光子携带,被一种叫做“电磁荷”的东西支配。宇宙中任何地方都存在电磁场,它相当是磁铁,虚光子可以在任何时刻出现。虚光子就是使同种电荷相排斥,异种电荷相吸引。

电磁场不仅规范了所有带电荷和磁荷的物体的运动,而且还创造了一切带电粒子和光!

要懂粒子,首先必须知道原子核以及它外面的电子。

电子跃迁是只在足够小的尺度才发生的行为。电子自由跳跃,被称为“量子隧穿”或“量子跃迁”。在量子世界里,所有粒子都能如此。当然,“跃迁”或“隧穿”只是对粒子特性的描写,意思是说它们可以任意穿梭不受任何阻碍。这一切的一切,只是在于它们能够在周围的“场”中借到能量,并且,你不可能知道它们借到了多少能量,因为你无法测得它的速度。

量子隧穿有点象天方夜谭。爱因斯坦曾经对他的学生说:“如果你们理解了我要告诉你们的事情,那么显然我没有讲清楚”。

德国物理学家宾宁和瑞士物理学家罗雷尔用实验证明了量子隧穿。他们将一根极细的针连接到电流仪上扫描物体表面,不让针尖接触表面,他们却检测到了电流,这意味着电流来自电子跃迁。他们由此得到启示,造出了“隧道扫描显微镜”,用它能看到原子。他们因此而获得了1986年诺贝尔物理学奖。

如今的科学认为,电子不是由更小的微粒组成,它们就是电磁场的产物,即是电磁场的一种表征,亦即前面所称的虚拟光子。这种虚拟粒子是各种作用力的力载流子,它存在的意义在于携带了作用力。由此,实光子和电子一样,是电磁场的基本表现,不由任何其它物质构成,它们的碰撞能产生神奇的效应。

很多光子产生于太阳内核,大约8分钟到达地球。当它们逃逸太阳之后,一遇到电子便消失了。这时电子变得狂暴不安,因为它被光子激发了。

电子吸收了光子,它们能发生相互作用和相互转化。这视乎很奇妙,其实我们都熟悉。当阳光照耀在你的身体上,皮肤的原子和电子会捕获一些光子而进入激发状态。在激发状态下,电子的运动加剧,于是你就感受到了皮肤带来的热量。所以你可以明白物质的能量转化就是吸收或释放光子。

原子在吞了光子后再吐出来,往往以颜色的形式“发光”,各种物体的颜色就是原子的电子在吞噬了光子之后又释放出的颜色。假如没有电子和光子的反应,世界将是一片黑暗。

地球为什么有引力?为什么你又不能直接渗透到地心,不能穿越地面?电子同样可以给出答案:原子核外的电子排布有一定的规则,每个电子都有自己的轨道,如果某一层已经填满,新来的电子就只能寄托在其它轨道上(轨道相当是一个区域)。这叫做泡利不相容原理,1925年,泡利因为这个发现获得了1945年的诺贝尔物理学奖。你无法穿越地面,正是因为地面原子的最外层电子不允许你的最外层电子通过,你的电子必须保持距离。致于人为什么能随意穿越空气,这是因为固、液、气三态是有区别的,空气中的原子(分子)可以为你让路。

原子内的原子核很有意思。它由质子和中子构成,质子比电子重了1836倍,中子也差不多重这些倍。1911年,新西兰的物理学家卢瑟福发现了原子,但他不知道原子核的亚结构,尤其不知道质子或中子内部还有更奇怪的结构。

在质子内部,你会发现无数的虚拟粒子的出现与消失。它们不同于虚拟光子,所携带的是另外一种作用力。这些力更加强大,使原子不至于瓦解,因此称为“强相互作用力”。

具体来讲,质子中有三个叫做“夸克”的小东西,它们是三个形影不离的家伙,也是物质世界最忠诚的伙伴。它们之间的距离越远,强相互作用力就会越大。这三个狂暴的夸克在一起,需要胶子像胶水一样地粘合看守,胶子也就成了三角恋的保护神。就这样,胶子和夸克构成了世界上的质子,而胶子就是我们已知的最强大力量——强核力的携带者。

胶子和质子(夸克)属于另一个“场”,这也是一个量子场——强相互作用场,因此它们也能隧穿,突然出现,突然消失。这个场中有六种夸克,其中的两种是“上夸克”和“下夸克”。质子由两个上夸克一个下夸克构成。那么中子呢?英国物理学家詹姆斯首先发现了中子是由于胶子禁锢了两个下夸克和一个上夸克而构成,他因此也获得了诺贝尔物理学奖。

中子和质子能共存于原子核内,得益于强作用力。两个胶子,在一瞬间变成了夸克!这时夸克成为另一种强作用力的携带者。当它们与另外的夸克接触时又变回胶子,胶子再瞬变成夸克,这样的物质交换,让中子和质子能够共存,确保了原子核的稳定。参与交换的粒子(夸克),由胶子来实现,被称为“介子”,它们携带的力被称为“强核力”,是一种非常大的吸引力。日本物理学家预言了它的存在也获得了诺贝尔物理学奖。

有趣的是,原子的核聚变,让多个原子变成一个原子,自然会有多余的胶子和介子被解放。(就如部门合并会裁员一样),胶子和介子带有质量,而这丢失的质量变成了能量让恒星闪耀。

有强相互作用力和强核力,当然就有弱核力了,因为大自然总是像阴阳一样平衡。这种力能让你恐惧,因为它们和强核力的作用相反,能让原子核崩裂。这就是量子场的一种“弱核力量子场”带来的效应,它们也有自己的基本粒子和作用力携带者。

“放射性”是弱核力量子场的特征之一。它对人体有伤害,科学家们研究它是作出很多牺牲的,居里夫人就是其中之一。

金原子是质量大一点的原子,但是黄金实是在恒星爆炸时产生的,而不是在恒星活着时形成的。不过金原子还不够大,我们需要对钚-239进行研究。在钚-239的原子核中,会有一个虚拟粒子击中下夸克,让其变成上夸克,于是,一个中子变成了质子,这时胶子的保护作用就难以平衡了,整个原子处在非平衡状态,开始分裂变成更小的原子,每个原子核都在争抢电子,这其中的每一步都会有大量的能量释放。这就是弱核力的一种表现形式,其携带者就是wZ玻色子。通常我们把这种现象叫做原子核的自发裂变,或者称放射性衰变。

衰变会导致原子的能量减少,它被一种叫作“中微子”的粒子带走了。中微子不受任何阻碍,能穿越人体皮肤,甚至能穿越地球,但它不带来危害。危险的是夸克禁备以及电子和光子。

夸克禁备被破坏往往是两个质子和两个中子组成为“阿尔法粒子” 逃跑。它实际上是失去一个电子的氦原子。为了保持稳定,氦原子会处捕捉电子,当你在附近时,它们就会在你的皮肤上寻找电子,造成了所谓的放射性灼烧。放射性衰变的第二种形式是释放高能电子,它能在远处将你的皮肤上的电子击飞。第三种是发射高能光子,如伽马射线,它能把人体原子的电子带走,同样带来灼烧伤害。更恐怖的是伽马射线能穿透皮肤,威胁DNA编码构成,有可能导致基因突变或癌变。

在地幔层,无时无刻不在发生衰变(在远古时期一定更剧烈频繁。衰变释放的高能粒子产生巨大热量,引发地震或火山等地质变化。这是生命的灾难,但是,如果没有远古时期的剧烈物质运动,哪来的原始海洋?怎么孕育出生命?也许,没有放射性,我们就不存在了。

现在我们已经知道引力、电磁力、强核力、弱核力这4种作用力都有各自的基本粒子,其中引力子还拿不准,或许它不存在。而电磁力由光子来携带,强核力由胶子来传递,弱核力由WZ玻色子来转化,虚光子、胶子、玻色子等都是虚拟粒子了。所谓的虚粒子,是根据量子力学的不确定原理确定的,意思是宇宙中的能量在短暂时间内会在固定总值的左右起伏,这种起伏会诞生粒子,之后又马上消失了,所以称它们为虚粒子或称准粒子。

以上就是量子力学理论的基本背景图像,但你需要先站在伟人的肩背上来学习。

“我想我可以很有把握的说,没有人懂量子力学。”理查德·费曼 ,1965年诺贝尔物理学奖得主;

“上帝很微妙,但他不会恶作剧。我又很怀疑,或许上帝喜欢恶作剧。”阿尔伯特·爱因斯坦, 1921年诺贝尔物理学奖得主;

“没有任何能够转化为图像的语言能描述量子跃迁。”马克斯·玻恩 ,1954年诺贝尔物理学奖得主;

“那些在一开始接触量子理论时没有感到震惊的人不可能真正理解它。”尼尔斯·玻尔,1922年诺贝尔物理学奖得主。

物理学毕竟是一门科学,它应该在理论上从简。于是,有科学家企图将4种作用力统一。1979年,三位美国科学家作出了一个惊人的发现:电磁力和弱核力是另一种作用力、另一种场的两种不同表现。被称为“电弱场”。这为大统一理论铺了一条道路。

按照量子理论,量子场中的实粒子用波函数描写,而波函数的图像是概率的。因为给你一个粒子,如果你不去观察,它到底沿着什么轨迹运动你不知道,你要观测又测不准,实验也发现一个粒子能同时经过多个途径!这就是量子场给粒子带来的奇特效应之一。它意味着实物粒子有分身术,同时存在于不同的空间和时间的点,你在任何时间地点都可能见到他,只是概率不同罢了。

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