宇宙的终极秘密~量子力学(下)

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电子、光子都同时具有粒子的属性和波的属性,这在物理属性中互相矛盾,采用量子论的标准解释来解释这个看似矛盾的事情,也就是波尔等人的“哥本哈根解释”。

   本文中的讨论虽然基于电力,但原则上,对于电力以外的微观粒子:光子、原子、分子、原子核、质子、中子以及其它基本粒子等等也都是适用的。

  所谓的电子“波粒二象性”的意义是什么呢,就是说,电子在被观测之前,波在空间中弥散地存在着,可是当电子的波在被光照射的时候,也就是测量电子所在的位置的时候,电子波瞬间坍缩,集中于一点,形成一个“尖峰”,这种形态的波不再具有通常“波”的延展性质(连续性),在观测者看来,就像看到的是一个粒子。

  也就是说:电子在不被测量观察的时候,电子表现的是波的性质,电子被观测的时候,就表现出粒子的形态。

   观测者在观测前会在波的延展范围内的某处观测到电子,但是无法确切的知道电子会在什么地方被发现,能够知道的是~电子在这个地方出现的概率是多少,比如百分之30、百分之3……之类的事情。

   数学上表达电子波的方法是使用“波函数”,在不同的环境中,比如在原子的内部,求解电子的波函数的方程就是“薛定谔方程”,通过数学上的运算就能求解在原子、分子内部的电子轨道。

  波尔等人认为,这样解释电子的“波粒二象性”,就不会出现矛盾,电子波就是代表着电子被发现概率的波,更为准确的说法是,电子波函数(电子波的数学表示)的模的平方,与电子被发现的概率成正比。

   按照标准的解释,电子等微观粒子在没有被观测的阶段,在空间弥散着存在着,就是说在观测前电子等微观粒子的位置是无法确定的~不确定,通常把观测到电子等微观粒子被观测到的概率用~“位置的涨落”来描述。

  在观测前,不只是电子等微观粒子的位置,运动的状态(动量)也处于涨落状态,在位置的涨落和动量的涨落之间存在着一定的关系,电子的位置的涨落越小,其运动状态的涨落就越大。

   电子的位置和运动状态的涨落(不确定性)之间的关系可以用不等式来表示,称为~“不确定性原理”,也称为“不确定关系”,根据不确定性原理,位置和运动两方面同时确定的状态(不确定度为零)是不可能存在的,宇宙的微观世界是由涨落支配的。

  不同元素之间的差别是与电子如何配置相关的,电子配置的方式不同,决定了各种元素的化学反应的性质也不同~容易形成什么样的离子,容易与什么样的元素发生化学反应等等。

   也就是说,化学的根本原理是由量子论在支配着,量子理论圆满的解释了~为什么不同元素之间的性质不同,这个问题有了准确答案。

  基于量子论来研究电子轨道的发展成为“量子化学”,各种原子、分子的性质,以及在量子化学出现之前,无法理解的化学反应的模式等,现在通过量子化学为基础的,通过在计算机上模拟代替实验,已经渐渐为人类所掌握。

  把宏观物体~眼睛可见尺度上的物质,看做是大量原子组成的集团,根据量子力学,研究其性质的物理学就是~“凝聚态物理”。

  凝聚态物理研究的成果之一,就是对半导体的应用,通过凝聚态物理确定各种不同类型的半导体的物理性质,混合不同种类的半导体,把它们组合起来,就能得到各种各样的电子元件。

  比如:二极管、三级管等就是由不同的半导体组合而成的,把很多的这样的东西高度集成起来,就是计算机的核心部分~“集成电路(IC)”。

   集成电路现在广泛使用在个人电脑、手机、家用商用电器中,可以说,我们现代人的生活,与量子力学早已经密不可分。

  量子力学几乎是所有物理学理论的基础理论,唯一例外的就是“引力(万有引力)”,现代物理学的引力理论是爱因斯坦的“广义相对论”。

   根据广义相对论,带有质量的物体会使周围的时空(时间和空间)发生弯曲,结果就产生了引力现象。

   建立在非量子论基础上的物理学被称为“经典物理学”,从这个意义上说,广义相对论也属于经典物理学(广义相对论比量子力学诞生得稍晚十几年)。

  现代物理学家在致力于统一量子力学与引力,这个尚为完成的理论被称为“量子引力理论”,量子引力理论有许多理论候选理论,非常有竞争力的一个就是“超弦理论”。

关于:“超弦理论”、“多维宇宙”、“暗物质”、“暗能量”等等会在后续科普物理学中单独介绍。

让我们跟随科学的发展,一起来探索~我们宇宙的终极秘密。

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