量子力学的真相 The Search for What Lies Beyond the Quantumepub+azw3+mobi+pdf+txt+word

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爱因斯坦沿未完成的科学革命 当代物理学领军人李·斯莫林量子理论新见解 量子力学的真相 The Search for What Lies Beyond the Quantum

《量子力学的真相》封面

量子力学是什么

我还想到了爱因斯坦写于1935年的论文,他56岁,远远超过了他设定的创造力衰竭的年龄边界。这篇论文的要点很清楚:量子力学,这种物理学最流行的理论是有缺陷的。

他预言了一种叫做量子纠缠的奇怪现象,一种比光速更快的远距离幽灵效应,违反了爱因斯坦自己的相对论。几十年来,科学家们把1935年的这篇论文认定为一个老天才的误导性胡言乱语。然而,到20世纪90年代,物理学家意识到纠缠是量子力学的关键特征,情况突然发生了变化。爱因斯坦的论文成为量子计算的基础。今天,关于量子力学的论文是爱因斯坦引用最多的科学贡献,甚至超越了他的相对论。


量子力学和量子场论有什么区别?必须两个人都学吗?


量子力学可以解决非相对论单个粒子微观世界的运动问题——听起来很弱,但这个范围包括大部分化学、部分生物学、整个微电子学、芯片和集成电路、现代光学、量子信息等。量子力学可以说是物理学中应用最广泛的学科。对于绝大多数学习物理的学生来说,量子力学是必须掌握的。


量子场论解决了微观世界中相对论多个粒子耦合的运动问题——是非常强大和复杂的,所以我们绝对不使用量子场论。主要用于前沿物理研究,如弦理论、高能物理(包括核物理和粒子物理)以及凝聚态中的强相关物理。大多数物理学生不需要学习量子场论。


需要学但不懂的同学——没事,你有一辈子。

《量子力学的真相》目录

创立量子力学的科学家

在20世纪20年代,为了描述最小规模的物质(原子和亚原子粒子),物理学家在20世纪20年代开发了一个新的分支来解释这些粒子的实验结果。迪拉克运用新近建立的理论(我们现在称为“量子力学”),基于方程的第二个解,提出了这样一种假设:从“另一面”来的幽灵电子,也许会像普通电子一样突然出现在我们的世界中。这样,就会在负能量的海洋上留下一个缺口或一个洞。尽管迪拉克尝试用这种方法来解释质子,但是另一位物理学家提出,空洞可能是带正电的反电子,因为它带有正电荷,所以我们现在倾向于称之为正电子。正电荷的发现证实了狄拉克的基本观点,也为反物质奠定了与物质同样值得尊重的地位。


这类方程具有两个解是常见的。举例来说:哪一个数字的平方等于9呢?它是3还是3?两个答案当然都对了,因为3乘3等于9,-3乘以-3也等于9。科学家不能保证,一个方程的所有解都可以和真实世界的事件相对应,但是,如果某一特定物理现象的数学模型是正确的,那么反复思考这个方程式要比思考整个宇宙简单,并且同样有用。正如狄拉克的故事与反物质一样,方程式的多重解经常导致各种预言。假如这种预测被证实是错误的,那么人们将会放弃相应的理论。但是,不管最终得到什么结果,一个数学模型总是可以确定你所得出的结论在逻辑上既具有逻辑上的合理性。


亚原子粒子具有许多可测量的性质,其中主要是其质量和电荷数。某些粒子与其反粒子通常具有同样的质量,除此之外,他们的所有特征都是完全相反的。比如,正电子与电子有同样的质量,但是正电子带上一个单位的正电荷,而电子则带一个单位的负电。类似地,反质子所带的电荷也正好与质子相反。


无论相信与否,非电荷中子都有相应的反粒子。这个名字叫——猜猜看?——反中子。


反中子和中子所带的电荷正好相反,我们可以说它带着-0电荷。我们之所以这样说,根本原因在于,中子是由3个携带不完全电荷的粒子(夸克)构成的。三个夸克所携带的电荷数分别为-1/3.-1/3和2/3,而反中子内3个夸克携带的电荷数为1/3.1/3和-2/3。每个夸克的总电荷数为零,但是它们各自所携带的电荷则相反。


反质可能会突然无缘无故地出现。射线光子具有足够的能量,它可以自己转变为电子-正电子对。这样,γ射线所具有的大量能量转变为微小的物质,这一过程满足爱因斯坦著名的方程E=mc2。


按照狄拉克的原初解释,γ射线光子会使电子从负能量域中释放出来,这就产生了普通电子和电子洞。反过来,这是可行的。假如一个粒子与一个反粒子相撞,它们将相互湮灭,充满空洞,释放γ射线。一定要记住要当心的避开γ射线。
要是你在家无意中捣鼓出一团反粒子,那可真是一场硬仗。不久,你将面对仓库的难题,或许你已经准备好了保鲜盒或购物袋等容器,但是无论它是纸的还是塑料的,反粒子都会随它而消失。用强磁场束缚电荷反粒子,强磁场“墙”虽然不可见、摸不着,但可以把反粒子牢牢地锁住。在真空磁场中储存反粒子,你不必担心它会与普通物质一起湮灭。这种“磁瓶”还适用于储存其它能破坏容器的物质,例如在(控制)核聚变实验中产生灼热气体。如果你们制造了一个完全的反原子,那么存储问题就会变得更加困难,因为像原子一样,反原子通常不能被磁壁所束缚。也许最好的办法就是将正电子和反质子分别储存在一个独立的磁瓶中,等待他们需要时再将其混合。


为了制造反物质,你所需要的能量至少和在物质湮灭后所释放的能量相同。在发射之前,如果整个反物质燃料还没有准备好,反物质发动机肯定会慢慢地从你们飞船里吸收能量。原来的《星际迷航》剧集和电影可能就反映了这一事实,但如果我还记得是这样的话,柯克船长总是要求反物质引擎“增加点马力”,而斯科提永远是在“加倍”。