快速学习量子物理

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1、波尔的模型

废话少说，我们先不谈黑体辐射和波粒二象性，我们先来看最简单的，大家初中就学过的——原子的结构模型。大家都知道了，这个世界不是什么阴阳二气金木水火土五行构成的，物质就是由微观粒子构成的，随着实验手段探测工具的进步，各种神奇粒子都在不断被发现，我们就来说一个最基本的——原子。

大家还记得原子的模型么？八九十年代我国提出“四个现代化”口号的时候，大街上很多这种科技宣传画。

对，就是这样的科技宣传画，电视广告也常用，这就是科学史上一个著名的原子模型“波尔模型”，原子核在中间，电子在外层不同的轨道上旋转，波尔是哥本哈根学派的领袖和奠基人，也是量子力学的开山祖师，但这个模型是彻底错误的。他这个模型的真实还原版如下——

大家，仔细看，这像不像一个太阳系行星轨道？原子核带正电荷，核外电子带负电荷，原子整体呈中性。这个模型比他的前辈卢瑟福、道尔顿是高明得多，汤姆生一度以为原子是个大西瓜，电子如同西瓜子一样嵌在原子核上。那么波尔这个先进的模型错在哪里？毕竟这个模型可以解释所有的化学反应，以及部分物理实验结果。

那么第一个有意思的悖论来了——道理很简单，它违背了电磁学的所有原理。

大家都知道点电荷围绕原子核做圆周运动的话，等于形成了一条环形电流，而“电流的磁效应”告诉我们，环形电流会产生磁场（初中物理），说的更正确一点叫做——变化的电场产生磁场（高中物理）——一个点电荷产生的电场再产生磁场再产生电场.......毅种循环，这就是电磁波了——你的wifi信号。也就是说，电子如果真像地球绕着太阳转那样绕着原子核转的话，它会向外发射电磁波，那么根据能量守恒定律，这个电子总能量在衰减，他的动能和势能也会衰减，他速度会越来越慢，轨道高度R会越来越低，最终跌落在原子核上？

大家想一下，这个推论没有任何问题吧？

但是电子掉落在原子核上这个事实却没有发生，永远不会自己发生，现实中不存在，为什么呢，大家看看自己的身体，你的身体有没有因为电子掉到原子核上而崩溃，有没有因为这件事而变成闪电超人？

所以这件最普通不过事实就否定了波尔的模型，也指出了一个真理——宏观世界的电磁学原理到此为止了，伟大的麦克斯韦被挡在门外了。（在这里我再说一个大家必须记住的真理，物理学没有一条原理是真理，他们只是在诸多特定的条件下，不断接近真理，你要说所有的物理学都是胡说八道——其实也有一定道理）。

最近最接近真理的模型是这个——

第二个结论解释起来有点麻烦，不记得初中物理有木有讲过光的波粒二象性，如果文科朋友高中做过杨氏双缝干涉实验就好理解了。爱因斯坦不是搞出了光电效应嘛？那么“光”是什么东西？为什么特定频率的光照一下那个不知名的板子，那个板子就会带电？既然△E=hv，那么光就具有能量咯，废话，啥东西都有能量，既然光有频率，那么他就是一种波咯？说对了，某种意义上他就是一种波，可以说什么东西都是波。无线电、红外线、伽马射线、紫外线、可见光都是一种东西，都是电磁波的一种，只不过频率不同而已。频率v越高，能量越大，原子弹爆炸发出的爆炒广岛那玩意儿就是伽马射线，他和太阳光、手机的光、WIFI信号没有本质区别，频率极高而已。然而，光电效应公式又说了，不是特定频率的光，你照多久都没用，特定频率的光，一个光子就足够激发电子了......等等，你不是说光是一种特殊的电磁波吗，光子是什么东西？爱因斯坦那时候的解释是，光波只能一段一段不连续地被吸收，就和能量子一样，所以被称为“光量子”。但这不是最终的解释，最终的解释是个颠覆一切的可怕魔鬼。我们做过双缝干涉实验是吧，既然都能干涉了，那么光肯定是波啊，这个不需要解释。解释一下干涉，波其实振动在介质中的传播（当然这个说法最终也不对，光不需要介质）。波不是直线前进的子弹，子弹撞墙了不能继续飞，而波能绕过去，这叫“衍射”。而两个不同的波相遇的时候，会发生干涉，比如你在水中连丢俩石子，会出现两股水波，波峰与波峰相遇，会叠加，波纹更高，波峰与波谷相遇，波纹会削弱，这就是干涉。

那，就是这个样子的。这个初中物理也有。我们来讨论光的干涉，如果你随便把两个手电筒打在一起，肯定看不到干涉条纹的。只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

为使合成波场的光强分布在一段时间间隔Δt内稳定，要求：①各成员波的频率v（因而波长λ）相同；②任两成员波的初位相之差在Δt内保持不变。（这里看不懂可以跳过，意思是普通光源不能做这个实验，但高中和大学实验室的激光器，完美解决了相位差的问题）

实际情况是这样子滴——

这个只能证明一个问题，那就是，广是一种波，波长很小频率很大的波。但为什么说魔鬼出现了呢？下面是见证奇迹的时刻，如果给你一个完美的黑暗房间，不受其他光源干扰，用能发出单个光子的光源做这个实验，光子一个一个地打过去（别怀疑，这个实验条件地球上具备，而且成功了）。

那么我们随便先来十发光子，会在背景墙上发现，光子落得满地都是，乱七八糟，毫无规律，但是我们来个三百万发，再看结果，却发现那么多星星点点如同细沙子的光斑堆成了了一道一道光的波纹？如下——

见鬼了，问题在哪里？问题是——我们是一个一个打出光子的啊，如开枪一样，后一个光子不是智能生物，不可能知道前一位光子的落点啊，他们怎么商量好落脚点的？难道他们之间可以沟通？黑屋子里没有其他光子，单个光子和谁干涉的？和自己？自己干自己？肯定有鬼。

事实上，当光子穿越双孔的时候，我们不知道它到底穿过了哪个孔？有可能是左边，也有可能是右边，他不可能同时穿过两个孔，他不是孙悟空。常识告诉我们，宇宙的选择是确定的，但常识错了。如果我们挡住其中一个缝隙，可怕的事情发生了，干涉条纹消失了。于是薛定谔写出了伟大的薛定谔概率波方程。

他说量子态是一种概率波，有两个状态，可以弥散，可以坍缩，类似于函数的发散和收敛，可以复习一下高中学的“杨氏双缝干涉”，单个光子连续穿越双缝形成干涉条纹，但你无法知道光子到底走的是哪一个缝隙。如果你知道了，就无法形成波动性质的干涉条纹——观察者改变世界——这有点唯心主义的意思，但却是被实验证明的真理。单个

光子是一团概率云，穿过的一瞬间他坍缩了，选择了一个出口而已。后来德布罗意发扬光大，把波粒二象性推广到所有物质上，事实也证明了，电子也可以在晶格实验中产生类似波的干涉条纹。明白了么，JRS，你们也是波。

而海森堡提出了“测不准原理”，——粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式，h是约化普朗克常数。海森堡认为——测量这动作不可避免的搅扰了被测量粒子的运动状态，因此产生不确定性。就是说，观察者会影响事件的结果，量子力学范畴中，测量不是只有实验观察者参与的过程，而是经典物体与量子物体之间的相互作用，不论是否有任何观察者参与这过程。说的更唯心一点，那就是“风动，幡动，还是和尚心动？”

量子力学的非主流说法，始作俑着也是海森堡，他用泊松括号做矩阵乘法，得出一个没有意义的物理量——就是那个位置和动量相乘的玩意儿，结果没人看得懂。后来一群学计算机的美国人发扬光大，不承认薛定谔的方程和概率波，说“弥散”和“坍缩”都是胡扯，他们提出“多世界理论“——注意这也不是胡说，这是量子计算机的理论基础！“多世界”不是大家想象中的“平行宇宙”——事实上，他们认为，宇宙只有一个，“多世界”，是宇宙在不同维度的投影。所以不是不确定事件有确定的结果，但是发生在不同的世界，而观察者只看到一个投影世界中的结果。他们的意思是——光子不是什么概率波，而是一颗子弹，穿过双缝的时候，我们的世界分裂了，平原甲看到光子穿越左边的孔，平原乙看到光子穿越右边的孔，两个世界继续发展下去。

举个例子，“薛定谔的猫”，箱子打开后，猫不是“生”就是“死”，好像从两种状态“坍缩”到一种状态，函数收敛得到一个定值，但“多世界”理论派认为，不是坍缩了，而是世界分裂了，一个世界中的你看到猫死了，另外一个世界的你看