正在阅读《第4章 驯服野兽》
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因此,粒子可以反复通过相同的实验仪器,但最终出现在不同的位置,因为它们的命运并不是一成不变的。每个原因都有许多潜在的影响,量子女神的选择是完全随机的。有时,在原子某一侧的电子,当它的位置在空间中振动时,会发现自己处于原子的另一侧。

如果这一切有些复杂、让人困惑,那么讲一点有趣的冷知识来放松一下:歌手兼演员奥莉维亚·纽顿-约翰是马克斯·玻恩的外孙女,曾在1978年的电影《油脂》(Grease)中与约翰·特拉沃尔塔演对手戏。

遗憾的是,《油脂》并没有提及量子力学,除非我们认为“寒栗”是“波函数”的隐喻。当寒栗倍增时,这意味着波函数与自身相乘(取平方)以求得电子的最终静止位置的概率。

如果是这样的话,我们可以准确地说,一旦我们解开了薛定谔方程,面对的将是一场哲学危机,我们将不得不接受完全随机的实验结果,因此我们正在“失控”。

通向胜利的隧道

虽然玻恩对波函数的解释非常大胆,但有一种方法可以检验。我们可以把一个粒子扔向墙壁,看它是否能被粘住。

想象一个经典的(普通的)物体,比如网球,把它猛地掷向障碍物,接下来发生的事情是毫无疑问的—它会撞上障碍物,黏滞片刻,然后反弹回来。

玻恩对量子粒子的解释却截然相反。粒子的位置可以描述成不断振动的概率波。

如果把电子掷向墙壁,我们必须把它当成波。波的每一个峰值意味着“粒子很可能在这里”,每一个谷值意味着“粒子不太可能在这里”。所以如果波接近墙壁,其中的一些峰值会出现在墙壁的另一侧,就像这样:

如上图所示,当粒子到达墙壁时,其可能位置大部分在同一侧(波的峰值大多数在左侧),但每隔一段时间就会有一小部分出现在另一侧。这种情况并不常见,因为波函数的值在另一侧很低(只是一个小的隆起),但电子偶尔会出现在墙的另一侧。

这种现象被称为“量子隧穿”,与玻恩的预测完全一致,人们已经多次观察和记录到。电子学中甚至有一种叫“约瑟夫森结”的设备,由夹着绝缘体的两块导电材料构成。通常来说电子会被这样的势垒阻挡,但由于量子隧穿效应,电子可以穿过势垒。我们可以通过改变势垒的厚度来控制电流的流动。

量子隧穿发生的时间是一千亿分之一秒[7],在本质上类似于双缝实验。粒子可以选择从墙上弹回来,也可以选择通过隧道,就像粒子可以选择通过哪一条狭缝那样。唯一不同的是,在双缝实验中,粒子通过每条狭缝的概率是50%,但在上述的量子隧穿中,粒子穿过势垒的概率很低,所以这种情况很罕见。

量子隧穿也解释了放射性的来源。原子核有时会随机喷出几个质子和中子(“α辐射”)。这在经典物理中是不可能的,因为质子和中子被原子核中的其他质子和中子包围,不可能穿过。

但现在我们可以用波函数来描述所有粒子的位置,其中,一小部分粒子可以悬在原子之外。每隔一段时间,原子内部的粒子就会随机地通过隧穿到达原子的边缘,然后神奇地出现在原子外面。这正是我们在放射性辐射中观察到的。

选择用词

在1926年之前,量子论之间有一些松散的联系,是薛定谔把它们编织在一起的。他指出,波粒二象性与电子壳层的能量层级有关……这解释了原子轨道的形状和所有的化学理论……让我们可以通过概率来预测粒子。

在某些圈子里,人们大致认为早期的量子物理学家研究的是“量子论”,比如普朗克、爱因斯坦、德布罗意和玻尔,而薛定谔、玻恩和海森堡研究的是更复杂的“量子力学”。

大多数人并不纠结于这种区别,通常用“量子力学”指代1926年以前和1926年以后的物理学。但对于纯粹主义者而言,量子论始于普朗克,而量子力学始于薛定谔。

(1) spdf是原子轨道的名称,s形轨道呈球形,有1个轨道,可容纳2个电子;p形轨道呈哑铃形,有3个轨道,可容纳6个电子;d形轨道呈花瓣形,有5个轨道,可容纳10个电子;f形轨道呈三角双锥形,有7个轨道,可容纳14个电子。—译注

(2) 原文不准确。粒子出现的概率对应的是波函数振幅的平方,因此实际上,粒子较有可能落在波峰或波谷(振幅最大),而不太可能落在波节(振幅为0)。—译注

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