所以大家一定要有个概念,量子物理是彻头彻尾的从理论到实践,而且微观世界动手验证很困难,导致很多互相矛盾的理论出来。这也是为什么量子物理总是给人感觉一直在发展,隔一阵就有新理论出来,但是整体上好像又没什么进展。涉及到量子物理,科学家都变成了君子,动口多动手少,独步江湖全靠思维和口才,能把对手说晕你就是大拿,所以量子物理的江湖一直都是另外一种存在。
面对这种猜来猜去的风气,也有不少人不看惯,这一派人秉持一个观点,你不能为了解释一个现象,凭空捏造出一个,如果你观测不到,你就不能说他有,科学如果靠猜,那和古代神棍有什么区别?
三、量子物理的基本盘1-不确定性
面对波尔的原子理论,实干派里有一个叫海森堡的就跳了出来,决定抛弃猜测,用已有的知识解释能级现象,随后就提出了著名的矩阵力学理论。
这个理论抛弃了假设,完全用数学的角度来解释能级。基本原理是这样,我们现在的已知的就是各级能级,比如abc三个能级,而且这些能级之间跳跃会释放整数倍的能量,能级之间有各种组合,比如a到b,a到c, b到c,c到a等等,所有这些已知量可以通过二维表(矩阵)的方式来描述。利用这些已知量构建两个矩阵,分别描述动量P和位置q,就能描述电子的运动情况。这个矩阵方程能够解释电子能级现象。
不过海森堡发现一个问题,如果使用矩阵乘法,P乘q和q乘p得到值不一定相同。这个违背了经典数学乘法交换律,海森堡也是一脸懵,拿着矩阵力学公示就去找恩师波恩了。波恩聪明,说你这个其实就是数学里的行列式,不满足乘法交换律很正常,从数学上讲没有问题。海森堡一块石头这才落了地。
不过新问题又来了,数学上解释通了,物理上这个不满足交换律说明了什么问题了?也就是先测量动量再测量位置,和先测量位置再测量位置,得到的值不一致。海森堡陷入了深深的思考。
随后量子物理学上最重要的不确定性原理出笼了。海森堡提出微观粒子的动量和位置不可能同时测量。位置固定速度和方向就不能确定,知道速度和方向就不知道具体的位置。这个理论一开始说是测量导致的,比如我们观察一个粒子,必须得借助光线,宏观层面一点问题没有。可是微观层面光子对粒子的撞击会改变粒子的动量,所以我们在观察一个粒子位置时,其实它已经被光子撞得四处乱飞,测量本身就对测量结果有影响,所以这个问题无解。
不过后来不确定性理论有了进一步的发展,大家发现这个不可测量是微观粒子的内在属性,跟测试无关,不管你看不看他,微观粒子就像充满不确定性的中二少年,随时会做出出人意料的举动。
怎么理解不确定性呢?
大家注意一点,量子世界本质上研究波和粒子,如果在研究波的时候发现解释不了的现象,改成粒子的方式往往能柳暗花明;研究粒子时,如果有什么看不懂的,把粒子看成波一般也会有意外收获。
对于不确定性,我们更多需要用波的概念去理解,由于波粒二象性,粒子可以理解为一个波包。
什么是波包呢?我们知道波是可以叠加的,这点跟粒子不一样,粒子不能揉到一起,比如你不能把两个乒乓球合并成一个。但是你在水中不同位置仍几个石子,水波可以相互叠加,波峰和波峰叠加就是一个更大的浪尖,波峰和波谷叠加互相抵消,水面平静如镜。假设有无数个波互相叠加,在整个区域上都互相抵消,只在其中一点留了一个高高的波峰,这个就是一个波包,注意这个波峰一定要非常非常陡峭,也就是空间上挤压成一个点,就可以把它理解为一个粒子。好比你在水面扔了若干石子,本来水面应该是各种荡漾,形成各种图形。但是某种情况下,水面其它区域波互相抵消,整个湖面留了一个浪尖高悬水面,这个浪尖就是波包。