快速學(xué)習(xí)量子物理

1、 快速學(xué)習(xí)量子物理  1、 波爾的模型      廢話少說，我們先不談黑體輻射和波粒二象性，我們先來看最簡單的，大家初中就學(xué)過的原子的結(jié)構(gòu)模型。大家都知道了，這個世界不是什么陰陽二氣金木水火土五行構(gòu)成的，物質(zhì)就是由微觀粒子構(gòu)成的，隨著實(shí)驗(yàn)手段探測工具的進(jìn)步，各種神奇粒子都在不斷被發(fā)現(xiàn)，我們就來說一個最基本的原子。      大家還記得原子的模型么？八九十年代我國提出“四個現(xiàn)代化”口號的時候，大街上很多這種科技宣傳畫。     對，就是這樣的科技宣傳畫，電視廣告也常用，這就是科學(xué)史上一個

2、著名的原子模型“波爾模型”，原子核在中間，電子在外層不同的軌道上旋轉(zhuǎn)，波爾是哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)袖和奠基人，也是量子力學(xué)的開山祖師，但這個模型是徹底錯誤的。他這個模型的真實(shí)還原版如下    大家，仔細(xì)看，這像不像一個太陽系行星軌道？原子核帶正電荷，核外電子帶負(fù)電荷，原子整體呈中性。這個模型比他的前輩盧瑟福、道爾頓是高明得多，湯姆生一度以為原子是個大西瓜，電子如同西瓜子一樣嵌在原子核上。那么波爾這個先進(jìn)的模型錯在哪里？畢竟這個模型可以解釋所有的化學(xué)反應(yīng)，以及部分物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。      那么第一個有意思的悖論來了道理很簡單，它違背了電磁學(xué)的所有原理。

3、     大家都知道點(diǎn)電荷圍繞原子核做圓周運(yùn)動的話，等于形成了一條環(huán)形電流，而“電流的磁效應(yīng)”告訴我們，環(huán)形電流會產(chǎn)生磁場（初中物理），說的更正確一點(diǎn)叫做變化的電場產(chǎn)生磁場（高中物理）一個點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場再產(chǎn)生磁場再產(chǎn)生電場.毅種循環(huán)，這就是電磁波了你的wifi信號。也就是說，電子如果真像地球繞著太陽轉(zhuǎn)那樣繞著原子核轉(zhuǎn)的話，它會向外發(fā)射電磁波，那么根據(jù)能量守恒定律，這個電子總能量在衰減，他的動能和勢能也會衰減，他速度會越來越慢，軌道高度R會越來越低，最終跌落在原子核上？      大家想一下，這個推論沒有任何問題吧？  &#

4、160;   但是電子掉落在原子核上這個事實(shí)卻沒有發(fā)生，永遠(yuǎn)不會自己發(fā)生，現(xiàn)實(shí)中不存在，為什么呢，大家看看自己的身體，你的身體有沒有因?yàn)殡娮拥舻皆雍松隙罎?，有沒有因?yàn)檫@件事而變成閃電超人？       所以這件最普通不過事實(shí)就否定了波爾的模型，也指出了一個真理宏觀世界的電磁學(xué)原理到此為止了，偉大的麥克斯韋被擋在門外了。（在這里我再說一個大家必須記住的真理，物理學(xué)沒有一條原理是真理，他們只是在諸多特定的條件下，不斷接近真理，你要說所有的物理學(xué)都是胡說八道其實(shí)也有一定道理）。       最近最接近真理的

5、模型是這個他們說核外電子是一團(tuán)“概率云”，并不是實(shí)在的東西，也不是圍繞原子核做圓周運(yùn)動的東西，沒有所謂的軌道，電子也不是我們認(rèn)為在空間某處的實(shí)實(shí)在在的小球，他說不定是一根絲線，是一團(tuán)霧氣，是個魔鬼，是個美人，是個僵尸，反正無法用文字形容的恐怖東西，他在這兒，也不在這兒，你看不到他，他就滿世界都在，你看到他，他就在他該在的地方，反正你是不可能看到他的。聽不懂是吧，慢慢來，記住概率云就可以吹牛逼了。          不連續(xù)能級和光電效應(yīng)     雖然波爾的模型不正確，但也不是一無是處，他提出的軌道概念，讓我

6、們可以徹底搞懂“量子”，是個什么東西，“量子”最早是由普朗克研究熱輻射時提出來的，原名叫做“能量子”。他發(fā)現(xiàn)微觀粒子，比如原子，吸收能量和放出的方式與平時我們看到的情況不同，比如說蝸殼要打鐵，得把鐵燒紅是不是，一大塊鐵燒紅的過程大家見過沒？農(nóng)村的孩子小時候應(yīng)該見過，那時候用火鉗火叉燒火，可以親眼看著黑乎乎的鐵慢慢變紅，這是它在連續(xù)地吸收熱量。又比如說冬天妹子的手很冷，JRS幫她暖手的時候是什么情況？她的小手不是一下子變暖和的吧，而是慢慢捂熱的。     但普朗克發(fā)現(xiàn)微觀粒子的輻射情況不對，他們吸收放出能量的時候是不連續(xù)的，比如說，某一個頻率的波或者射線輻射到粒子身

7、上，但是粒子的能量死活不增加，電子也不會被激發(fā)而跳出去，這個元素也不會發(fā)光。只有某個特定頻率的波或者射線輻射到粒子身上，他才會被激活，才會吸收能量。也就是說，粒子吸收放出能量，是要看能量本身合不合口味的，就好比泡妞，不投緣的不要，死纏爛打都不行。普朗克提出了一個假設(shè)，假設(shè)在光波的發(fā)射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，或者說，物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數(shù)倍（這個成果后來被用于光譜分析）。為此，普朗克還引入了一個新的自然常數(shù) h = 6.626196×10-34 J·s。這一假設(shè)后來被稱為能量量子化假設(shè)，其中最小能量元被稱為能

8、量量子，而常數(shù) h就是著名的普朗克常數(shù)。任何吸收和發(fā)出能量，都只能是hv的整數(shù)倍。好了，大家記住這個重要論斷“不連續(xù)”，這是你向別人吹噓量子力學(xué)的第一步。        然后愛因斯坦知道了普朗克的成果如獲至寶，然后就有了獲諾貝爾獎的“光電效應(yīng)”。 波爾的模型在這里就有用了，他假設(shè)的電子“軌道”，后來被叫做“能級”，每個軌道之間的能量差值就是E=hv（普朗克常數(shù)乘以輻射光子的頻率），原子核外電子只有吸收固定頻率的光波照射（或者是光子轟擊，其實(shí)一個意思）的時候，才會獲得能量，獲得能量的電子會飛出它的“軌道”，整個原子電量就不守恒了，就帶電了，所以你

9、的太陽能光伏電池就充滿電了，光電效應(yīng)不是什么了不起的事情，每天我們身邊就有。特定的元素，特定頻率的光波照射才行。雖然波爾的那個模型不對，軌道概念不存在，但“能級”是存在的，我們來看氫原子的能級分布。原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在低能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從低能級跳到（躍遷）到高能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光 .。知道嗎，微觀粒子的能量不是連續(xù)變化的，而是吸收一段固定的能量忽然跳過去的。氫原子能級1）氫原子能級: 原子各個定態(tài)對應(yīng)的能量是不連續(xù)的，這些能量值叫做能級。能級公式：E(n)=E(1)/n2半徑公式：r(n)=n2*r(1)在氫光譜中,

10、n=2,3,4,5,向n=1躍遷發(fā)光形成賴曼線系n=3,4,5,6向n=2躍遷發(fā)光形成巴耳末線系；n=4,5,6,7向n=3躍遷發(fā)光形成帕邢線系；n=5,6,7,8向n=4躍遷發(fā)光形成布喇開線系，其中只有巴耳末線系的前4條譜線落在可見光區(qū)域內(nèi)。能量最低的能級叫做基態(tài)，其他能級叫做激發(fā)態(tài)。電子“遠(yuǎn)離”原子核，不再受原子核的吸引力時的狀態(tài)叫做電離態(tài)，電離態(tài)的能級為0（電子由基態(tài)躍遷到電離態(tài)時，吸收的能量最大） 。水平有限，還是沒法完全不用公式和圖表，簡單的說氫原子，每個原子都有不同的狀態(tài)，從“基態(tài)”到各個激發(fā)態(tài)，都要吸收固定頻率的能量，然后氫原子會發(fā)出不同的光線，這就是元素的光譜。不同元素的光譜不

11、同，相同元素不同激發(fā)態(tài)的光譜也不同。所以我們的科學(xué)家一看光譜，就知道什么東西在作怪了！2;楊氏雙縫干涉，波粒二象性，不確定第二個結(jié)論解釋起來有點(diǎn)麻煩，不記得初中物理有木有講過光的波粒二象性，如果文科朋友高中做過楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就好理解了。愛因斯坦不是搞出了光電效應(yīng)嘛？那么“光”是什么東西？為什么特定頻率的光照一下那個不知名的板子，那個板子就會帶電？既然E=hv，那么光就具有能量咯，廢話，啥東西都有能量，既然光有頻率，那么他就是一種波咯？說對了，某種意義上他就是一種波，可以說什么東西都是波。無線電、紅外線、伽馬射線、紫外線、可見光都是一種東西，都是電磁波的一種，只不過頻率不同而已。頻率v越高，能

12、量越大，原子彈爆炸發(fā)出的爆炒廣島那玩意兒就是伽馬射線，他和太陽光、手機(jī)的光、WIFI信號沒有本質(zhì)區(qū)別，頻率極高而已。然而，光電效應(yīng)公式又說了，不是特定頻率的光，你照多久都沒用，特定頻率的光，一個光子就足夠激發(fā)電子了.等等，你不是說光是一種特殊的電磁波嗎，光子是什么東西？愛因斯坦那時候的解釋是，光波只能一段一段不連續(xù)地被吸收，就和能量子一樣，所以被稱為“光量子”。但這不是最終的解釋，最終的解釋是個顛覆一切的可怕魔鬼。我們做過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是吧，既然都能干涉了，那么光肯定是波啊，這個不需要解釋。解釋一下干涉，波其實(shí)振動在介質(zhì)中的傳播（當(dāng)然這個說法最終也不對，光不需要介質(zhì)）。波不是直線前進(jìn)的子彈，子彈

13、撞墻了不能繼續(xù)飛，而波能繞過去，這叫“衍射”。而兩個不同的波相遇的時候，會發(fā)生干涉，比如你在水中連丟倆石子，會出現(xiàn)兩股水波，波峰與波峰相遇，會疊加，波紋更高，波峰與波谷相遇，波紋會削弱，這就是干涉。那，就是這個樣子的。這個初中物理也有。我們來討論光的干涉，如果你隨便把兩個手電筒打在一起，肯定看不到干涉條紋的。只有兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。      為使合成波場的光強(qiáng)分布在一段時間間隔t內(nèi)穩(wěn)定，要求：各成員波的頻率v（因

14、而波長 ）相同；任兩成員波的初位相之差在t內(nèi)保持不變。（這里看不懂可以跳過，意思是普通光源不能做這個實(shí)驗(yàn)，但高中和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的激光器，完美解決了相位差的問題）       實(shí)際情況是這樣子滴      這個只能證明一個問題，那就是，廣是一種波，波長很小頻率很大的波。但為什么說魔鬼出現(xiàn)了呢？下面是見證奇跡的時刻，如果給你一個完美的黑暗房間，不受其他光源干擾，用能發(fā)出單個光子的光源做這個實(shí)驗(yàn)，光子一個一個地打過去（別懷疑，這個實(shí)驗(yàn)條件地球上具備，而且成功了）。     那么我們隨便先來十發(fā)光子，會在

15、背景墻上發(fā)現(xiàn)，光子落得滿地都是，亂七八糟，毫無規(guī)律，但是我們來個三百萬發(fā)，再看結(jié)果，卻發(fā)現(xiàn)那么多星星點(diǎn)點(diǎn)如同細(xì)沙子的光斑堆成了了一道一道光的波紋？如下      見鬼了，問題在哪里？問題是我們是一個一個打出光子的啊，如開槍一樣，后一個光子不是智能生物，不可能知道前一位光子的落點(diǎn)啊，他們怎么商量好落腳點(diǎn)的？難道他們之間可以溝通？黑屋子里沒有其他光子，單個光子和誰干涉的？和自己？自己干自己？肯定有鬼。     事實(shí)上，當(dāng)光子穿越雙孔的時候，我們不知道它到底穿過了哪個孔？有可能是左邊，也有可能是右邊，他不可能同時穿過兩個孔，他不是孫悟空。常

16、識告訴我們，宇宙的選擇是確定的，但常識錯了。如果我們擋住其中一個縫隙，可怕的事情發(fā)生了，干涉條紋消失了。于是薛定諤寫出了偉大的薛定諤概率波方程。     他說量子態(tài)是一種概率波，有兩個狀態(tài)，可以彌散，可以坍縮，類似于函數(shù)的發(fā)散和收斂，可以復(fù)習(xí)一下高中學(xué)的“楊氏雙縫干涉”，單個光子連續(xù)穿越雙縫形成干涉條紋，但你無法知道光子到底走的是哪一個縫隙。如果你知道了，就無法形成波動性質(zhì)的干涉條紋觀察者改變世界這有點(diǎn)唯心主義的意思，但卻是被實(shí)驗(yàn)證明的真理。單個 光子是一團(tuán)概率云，穿過的一瞬間他坍縮了，選擇了一個出口而已。后來德布羅意發(fā)揚(yáng)光大，把波粒二象性推廣到所有物質(zhì)

17、上，事實(shí)也證明了，電子也可以在晶格實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生類似波的干涉條紋。明白了么，JRS，你們也是波。       而海森堡提出了“測不準(zhǔn)原理”，粒子的位置與動量不可同時被確定，位置的不確定性與動量的不確定性遵守不等式，h是約化普朗克常數(shù)。海森堡認(rèn)為測量這動作不可避免的攪擾了被測量粒子的運(yùn)動狀態(tài)，因此產(chǎn)生不確定性。就是說，觀察者會影響事件的結(jié)果，量子力學(xué)范疇中，測量不是只有實(shí)驗(yàn)觀察者參與的過程，而是經(jīng)典物體與量子物體之間的相互作用，不論是否有任何觀察者參與這過程。說的更唯心一點(diǎn)，那就是“風(fēng)動，幡動，還是和尚心動？”      量子力學(xué)

18、的非主流說法，始作俑著也是海森堡，他用泊松括號做矩陣乘法，得出一個沒有意義的物理量就是那個位置和動量相乘的玩意兒，結(jié)果沒人看得懂。后來一群學(xué)計(jì)算機(jī)的美國人發(fā)揚(yáng)光大，不承認(rèn)薛定諤的方程和概率波，說“彌散”和“坍縮”都是胡扯，他們提出“多世界理論“注意這也不是胡說，這是量子計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)！“多世界”不是大家想象中的“平行宇宙”事實(shí)上，他們認(rèn)為，宇宙只有一個，“多世界”，是宇宙在不同維度的投影。所以不是不確定事件有確定的結(jié)果，但是發(fā)生在不同的世界，而觀察者只看到一個投影世界中的結(jié)果。 他們的意思是光子不是什么概率波，而是一顆子彈，穿過雙縫的時候，我們的世界分裂了，平原甲看到光子穿越左邊的孔，平原乙看到光子穿越右邊的孔，兩個世界繼續(xù)發(fā)展下去。      舉個例子，“薛定諤的貓”，箱子打開后，貓不是“生”就是“死”，好像