无中生有的世界：量子力学外传
吴京平
01．化学元素表的诞生
- 有个瑞典来的工程师帮着沙皇研制水雷，工程师的孩子也跟着来到俄国，齐宁就给这孩子当家教。这孩子真是聪明绝顶，十几岁就对化学非常在行。他的名字是阿尔弗雷德·诺贝尔，就是日后那个诺贝尔奖的设立者，著名的炸药大王。
- 门捷列夫说过：“天才就是这样，终身劳动，便成天才。”
- 魔鬼总在细节里，很多科学发现都是在小数点后面好几位数的数值变化里挖出来的。
- 基尔霍夫立刻去找来三棱镜，两个人一顿敲打，造出了世界上第一台光谱仪
- 他们俩发现了一种鉴别元素的新方法，而且灵敏度很高，这是1859年的事。第二年，圆明园就被烧了。不由得感慨一下，都是人，差距咋就这么大呢……
- 如果19世纪的科学的特征是“靠谱”、“搞得定”。那么到了20世纪，科学界毁了好几次三观。20世纪物理学的特点就是“说不清，道不明，才下眉头又上心头”。
- 一个是元素的周期性到底是从何而来；另一个就是光谱线的成因是什么，为啥光谱不连续呢？
02．神秘的X射线
- 物理学界此时形成两大阵营，英国人说是粒子，德国人说是波。
- 这一年伦琴正好50岁，X射线是他为人类奉献的最珍贵的礼物。这个发现不仅在物理学上有重要的意义，同时也开启了一门崭新的医学学科，从此影像医学诞生了。
- 原来即便不晒太阳，铀盐一样能使得底片曝光（图2-6）。贝
- 贝克勒尔把这种射线命名为铀射线，虽然也有穿透性，但是与X射线是不同的。这种射线可以使空气电离，也就是说，在这种射线的作用下，空气变成了导体。
- 火焰就是会导电的气体，内焰就是电离状态
- 居里定律：温度高到一定程度，物体就会突然失去磁性。现代家用电饭煲的温控就利用了这个原理，温度高到一定程度，突然失去磁性，开关吸不住就突然跳起来了。
- 很快就发现另一种元素也有跟铀类似的特性，也会发出射线，这就是钍元素。既然发出射线不是铀元素独有的特性，显然就不好叫作“铀射线”。居里夫人起了一个新名字，叫“放射性”，铀和钍就成了最早被发现的放射性元素。
- 居里夫人起了一个新名字，叫“放射性”，铀和钍就成了最早被发现的放射性元素。
03．群英汇集的卡文迪许实验室
- 只要用X射线照射充满过饱和蒸汽的云室，云雾就会立即出现，这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。过饱和蒸气非常敏感，有个微小扰动就会发生凝结。
- 所谓阴极射线就是电子流
- “这是我这辈子挖的最后一个土豆。”果然他从此以后再也没有挖过土豆。他叫欧内斯特·卢瑟福（图3-5）。
- 称为γ射线，到了1900年才被法国科学家维拉德发现。也就是说铀元素发出的放射线里面包含三种成分，卢瑟福一开始只分析出两种。
- 要敢于虚心向自己的学生学习，大学里面都是人尖儿，都有可学之处。选好助手搭好班子，一个人不可能搞得定那么多事。
04．黑体辐射公式的成功推导
- 第一朵乌云是以太和物体的相对运动问题。其实就是著名的光速问题。
- 第二朵乌云，就是所谓的比热问题。
- 人类总结自然规律有两个途径：一个叫作归纳法，人总是可以根据实践经验来总结出规律，天鹅总是白的，乌鸦总是黑的。但是归纳法就怕例外，自从发现了黑天鹅，“天鹅都是白的”这话就破产了。因此科学家们偏爱另外一种方法，那就是根据有限的公设，通过逻辑或者是数学来层层递进地推导。只要公设是靠谱的，推导出来的结果也就没问题。这个办法叫作演绎法。从实验结果反推经验公式可以算作归纳法，从有限的公设条件来推导出公式则属于演绎法。两者要是能得到相同的结论，这个理论就非常牢靠了。
- 他怎么也不会预料到，这一咬牙发狠，代表着一个新时代的到来，经典力学和电磁学的大厦就此崩塌。当时正是1900年，恰好是跨世纪年。
- 塞曼发现在强磁场下光谱线居然会加宽，放大以后仔细观察，光谱线不仅仅是加宽了，而且分裂成三条
- 洛伦兹对磁场的研究相当深，他描述磁场对电荷的作用力，就被称为洛伦兹力。
- 1905年，就是所谓的物理学的奇迹年，那个天才的爱因斯坦终于等到了他一鸣惊人的时候。
05．量子物理学草创时期的“三巨头”
- 按照经典的电磁理论，光也是电磁波，电子是带电的，光照上去，电子经不住电磁波的“忽悠”，被振得跑出来了，就引发了光电效应。
- 电子的动能与光照强度没关系，而是跟光的频率有关。低于某个频率，无论多强的光，电子就是不出来
- 从1900年普朗克推算出黑体辐射公式那会儿起，一直到1926年左右，这段时间可以认为是量子力学草创时期。
- 玻尔兹曼是告诉普朗克，那边有个门，可能是出路，这个门叫“不连续”。普朗克第一个打开了量子力学的大门，可是他自己吓得不敢进去，始终在门口徘徊。第二个人是爱因斯坦，他欢天喜地地蹦进去了。第三个人就是尼尔斯·玻尔。
06．索尔维会议：决战量子之巅
- 其中有一个年轻人名叫莫里斯·德布罗意，会议记录被他弟弟看到了，他弟弟从此放弃了本行历史学，改学理论物理，一干就是一辈子。
- 当时还没发现原子核，因此这个原子能是不可以被称为核能的。到后来，美国开始研究原子弹，需要写报告，当时打算用核能这个词，但是怕大家搞不懂啥叫核能，因此还是用了原子能这个词，但是含义已经不一样了。原子能从何而来是有关放射性的第一个问题。因为当时人们不知道这东西是哪儿来的，一度动摇了对能量守恒定律的信心。
- 第二个问题就是半衰期问题，早在1900年，大家就发现放射性元素是不稳定的，每隔一段时间就会有一半衰变成其他物质
08．上帝之鞭
- 所谓超越数，就是无法用有限长度的代数公式来表达的数
- 泡利最终获得一个谁见谁怕的外号，叫作“上帝之鞭”。
- 索末菲认为，不仅仅是轨道长轴是量子化的，而且自由度也是量子化的。最后索末菲就推出了光谱线应该是有复杂结构的。他推算出的公式里面有一个常数，被称为精细结构常数，大约是1/137
- 他常常对海森堡这些人说，你们要想成为优秀的物理学家，有三件事要做：1．学习数学，2．学习更多的数学，3．坚持前两条。
- 要想成为优秀的物理学家，有三件事要做：1．学习数学，2．学习更多的数学，3．坚持前两条。
- 他们有一个理念，那就是：愚蠢的问题不仅被允许，而且受欢迎。
- 后来还是意味深长地评论了一句：看来物理学对于物理学家来讲是太困难了。估计老爷子觉得数学家还是比物理学家厉害。
- 大约从20世纪20年代中期开始，量子物理学就进入了一个男孩物理学的时代。因为提出创新理论的人都是20岁出头的毛头小伙子
09．新量子力学大门将启
- 康普顿效应就表明，光子不但有能量，还有动量。既有粒子的特性，又有波的特性。
- 所谓的二值性，即要么是正的要么是负的，那么一个电子就具有四个量子数，主量子数、磁量子数、角量子数
- 电子的排列是有规律的，一个原子中没有任何两个电子可以拥有完全相同的量子态，这就是泡利不相容原理。泡利不相容原理可以推广到一大类粒子，那就是费米子。费米子的自旋都是半整数，比如1/2、3/2，自旋数是整数的叫作玻色子，玻色子不适用泡利不相容原理，电子属于费米子。
10．矩阵力学与波动方程
- 因为图形的旋转和缩放，在数学上都属于矩阵相乘的运算，矩阵相乘是不满足乘法交换律的。因此先乘旋转矩阵还是先乘缩放矩阵，得到的结果是不一样的。
- 海森堡鼓捣的格子相乘就是矩阵，他当时完全不知道有这么一门学科。因为那时候的大学并不教授线性代数。他完全靠自己发明了矩阵的乘法，当然，他并不知道自己在“重复发明轮子”。
11．测不准的量子
- 主力军是哥本哈根学派，领头的是玻尔，得力干将自然是海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等
- 玻尔就阐述了观测的意义。对于电子来说，你不观测它的时候，讨论它存在不存在是没有意义的。物理学的任务不是要找出自然是什么，而是对于自然，我们能说什么。
12．真空不空
- 当时的物理学中心就在德国，因为现代物理的两大支柱，相对论和量子力学，都是德国人的成就。
- 经典力学描述宏观低速的世界，狭义相对论描述宏观高速的世界，量子力学描述微观低速的世界，量子场论描述的就是微观高速的世界。
- 一种带正电的α射线，一种带负电的β射线，一种不带电的γ射线
13．薛定谔不懂薛定谔方程
- 不过安德森也不是第一个见到正反物质泯灭的人，第一个人是中国人赵忠尧，他第一个观察到了正负电子的泯灭，安德森就是受了赵忠尧的启发，他的办公室恰好在赵忠尧的隔壁。
- 约里奥-居里夫妇通过实验证明了人工放射性的存在，普通的不带放射性的物质，经过辐射照射，也是可以变成放射性物质的。
- EPR佯谬只不过是表明了两派哲学观的差别：爱因斯坦的“经典局域实在观”和玻尔一派的“量子非局域实在观”的根本区别。
- 人家哥本哈根学派的基本观点是，微观世界的事跟宏观世界不是一回事。微观世界遵循的就是这种不确定性的规律。
- 波函数可是薛定谔先搞出来的，薛定谔对波函数坍缩不理解。也难怪有后人评价，薛定谔不懂薛定谔方程。
15．核武大竞赛
- 原子核吐出两个中子，然后继续磕碰旁边那些原子核，中子就会越打越多，形成连锁反应。他看到哈恩和莉泽的研究成果，发现当年他设想的这种链式反应完全可能在核裂变的过程中发生，同时伴随大量能量的释放
16．曼哈顿工程
- 人类第一次实现了可控的核反应。1942年12月2日15点25分，这是划时代的一刻，原子能被人类驯服了。
- 电子的确是有角动量的，但是不能像洛伦兹老爷子那样当成普通物体的旋转来算。电子的角动量是内禀角动量，是粒子的基本属性之一。这个自旋，恰好就是泡利预言的第四个量子数。
- 战争总是残酷的，总是消耗生命去换取胜利，不在乎你是科学家，还是放牛娃。
17．海森堡算错
- 把这个数给算错的人，还恰恰就是大名鼎鼎的海森堡，20世纪最伟大的物理学家之一。
- 阿波罗登月的时候，布劳恩是火箭的总设计师。美国人在电视上看到他的面庞，听着他德国口音的英语介绍，全然忘了他曾经是纳粹战犯。
18．原子弹之父奥本海默
- 麦卡锡主义的泛滥，背后有非常深刻的社会原因。只要人们对某种东西恐惧，就一定会有人靠渲染这种恐惧来趁机扩大自己的权力。麦卡锡参议员如此，联邦调查局的埃德加·胡佛局长也是如此。这招古往今来，屡试不爽！
- 氢弹之父，出卖了原子弹之父。
- 战争时期培养的大批理工科人才，战后显得有些过剩，不少人受到薛定谔的感召，转行投身生物学领域。某种程度上，薛定谔可以说是分子生物学的先驱。
19．量子电动力学三杰
- 量子物理一开始是为了研究原子光谱，无论是玻尔、索末菲、海森堡和薛定谔，都为了计算原子光谱而发愁，原子光谱涉及原子模型以及电子的各种特性，早期量子力学几乎都是围着电子与光子打转，搞来搞去也都是围绕电磁的相互作用展开的。
- 1947年，兰姆通过实验发现氢的两个能级2s和2p其实有微小的能级差，这被称为“兰姆位移”。兰姆本人因为这次精彩的测量而获得了1955年的诺贝尔奖。
- 量子理论除了海森堡的矩阵表述、薛定谔的波动方程，现在要再加上路径积分表述，三种表述都是等价的
20．不平衡的宇宙
- 量子力学的研究起点就是研究电子轨道的问题。主要描述的是电磁相互作用，研究的粒子也是极其有限的，比如电子、光子之类的。后来研究原子核，发现里面还有质子和中子。但是质子和中子并不是基本粒子，它们其实内部还有结构。大型强子对撞机一撞，啥玩意都冒出来了
- 外尔搞的玩意叫作规范场，就是从对称性出发经过一番推导，在数学上自然而然地推导出麦克斯韦的电磁方程
- 不久之后两人交恶，断了往来，这也是一大憾事。正应了那句话，有人的地方就有江湖，科学家也是人，任何人都经不住显微镜下的道德审查。
21．隐变量出局
- 这个宇宙真是奇妙，最宏大复杂的东西，居然跟最微小简单的事物有相似的特性。
- 最终就可以统合三种基本的力：电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用。只剩下一个另类的家伙，就是引力。这东西不太合群，到现在也没完全搞定。
- 隐变量的意思就是说，量子这种古怪的行为是背后有个东西在操纵，但是这个东西我们还不知道它是什么。
- 多世界理论不是这么认为的。他们认为你一观察，世界就分裂了，分裂成了两个平行世界，一个世界猫死了，一个世界猫活着。
- 惠勒很早就提出，正负电子相互泯灭，会放出一对光子，这一对光子应该是相互纠缠的。
- 惠勒很喜欢和年轻人一起搞研究，他非常支持年轻人的疯狂想法，黑洞、虫洞、量子泡沫、平行宇宙这些都很疯狂。费曼评价他的老师惠勒：惠勒一直很疯狂。
22．夸克理论的成功
- 最近科学家们用超级计算机模拟了质子、中子、原子核里面的状况，夸克和胶子的移动与相互作用是质量的大部分来源，从侧面验证了爱因斯坦的质能方程的正确性。
- “科学研究是多数服从少数。少数人把大家的错误认知推翻，科学才能走下去，因此不可受大众影响。”他告诉同事们：“别对媒体发表争论，只要我们是对的，别人会慢慢转变观念。”
- 但是有很多科学家认为标准模型长得太难看了。为了解释三种粒子的行为，搞出来60多种粒子，这已经够难看了
- 比大统一理论更进一步的理论叫作万有理论。所谓万有理论就是把四种基本的力全都统一起来，包括引力在内，统一成一套理论，这就更难了