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为避免让人误以为这一切不过是微观物理的惊鸿一瞥,于整个世界无关痛痒,我们需要说明:为解释双缝实验等微观粒子现象而发展出的量子理论,同样能解释原子的稳定性、化学元素辐射的彩色光、放射性衰变(radioactive decay),乃至在20世纪之交困扰科学家的其他疑难杂症。这套理论框架同样能描述电子被禁锢于固体内部时的行为,从而让我们理解可能是20世纪最重要的发明——晶体管——背后的原理。
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在本书的最后一章中,我们将看到量子理论的一项重要应用,同时也是展现科学推理之力的绝佳案例之一。大多数怪异的量子理论预言都出现在微小事物的行为上。然而,聚沙成塔,集腋成裘,要解释宇宙中质量最大的物体——恒星——的某些性质,竟然也会用到量子物理。我们的太阳无时无刻不在和自身引力作斗争。这团质量超过地球300万倍的气体[45]球,其表面的引力是地球表面引力的近28倍,这将有力地促使其向内塌缩。但塌缩并没有发生,因为在太阳核心,每秒有约6亿吨氢聚变成氦,聚变产生的向外压力能抵消引力。尽管太阳是个庞然大物,但以如此迅猛的速率消耗燃料,最后也一定会将太阳的能源燃烧殆尽。向外的压力会消失,而引力会卷土重来,势不可当。看来,大自然中没有什么能阻止一场灾难性的塌缩。
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在现实中,量子物理能伸出援手,救星于水火。被量子效应解救的恒星叫作白矮星(white dwarf),这也会是我们太阳的归宿。在本书的末尾,我们将运用对量子力学的理解,来确定白矮星的最大质量。这项计算首先于1930年由印度裔天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡[46](罗马转写:Subrahmanyan Chandrasekhar)完成,计算结果约是太阳质量的1.4倍[47]。精妙绝伦的是,要完成这个数的计算只需要质子质量和之前已经提到大自然中的三个常数:牛顿引力常数、真空中的光速,以及普朗克常数。
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可想而知,量子理论本身的发展,以及上述四个物理量的测量,都不依赖于仰望星空。我们可以想象一下,一个有着奇特恐惧症的文明,被禁锢于自身行星地表深处的洞穴中,他们对天空毫无概念,但他们却可能发展出量子理论,并测量出这四个物理量。为了好玩,他们可能还决定去计算巨型气体球的最大质量。有一天,勇敢无畏的开拓者第一次选择到地表探险。想象一下,当他敬畏地仰望苍穹,看到群星璀璨、河汉无极、千亿颗星辰横贯天际时,如我们在地球上观测所见一样,开拓者也会发现,在暗淡下去的垂死恒星之中,没有一颗的质量能超过钱德拉塞卡极限。
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[10]亨利·贝克勒尔,1852年生于法国巴黎,1908年卒于大西洋卢瓦尔省勒克鲁瓦西克,法国物理学家。
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[11]威廉·伦琴,1845年生于今天的德国北莱茵—威斯特伐利亚州雷姆沙伊德,1923年卒于慕尼黑,德国机械工程师和物理学家。
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[12]亨利·庞加莱,1854年生于法国默尔特—摩泽尔省南锡,1912年卒于巴黎,法国大数学家。
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[13]《阴极射线与伦琴射线》,发表于《科学综述》1897年第7卷第72—81页。
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[14]汉斯·盖革,1882年生于今天的德国莱茵兰—普法尔茨州葡萄酒之路旁诺伊施塔特,1945年卒于今天的勃兰登堡州波茨坦,德国物理学家。
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[15]欧内斯特·马斯登,1889年生于英格兰兰开郡里士屯,1970年卒于新西兰惠灵顿,英籍物理学家。
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[16]约38.1厘米,可参考相同尺寸的屏幕。发射这种炮弹的大炮,炮管长可超过16米,重逾100吨,在第一次世界大战前开始装备在欧洲军舰上。
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[17]这里一兆是指一万亿。
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[18]海因里希·赫兹,1857年生于汉堡,1894年卒于德国波恩,德国物理学家。
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[19]安德斯·约纳斯·埃格斯特朗,1814年生于瑞典蒂姆罗,1874年卒于乌普萨拉,瑞典物理学家。
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[20]海因里希·古斯塔夫·约翰内斯·凯瑟尔,1853年生于莱茵河畔宾根,1940年卒于德国波恩,德国物理学家。是中国第一位物理学博士李复几的博士生导师。
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[21]尼尔斯·玻尔,1885年生于丹麦哥本哈根,1962年卒于哥本哈根,丹麦物理学家。
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[22]西奥多·莱曼,1874年生于美国麻省波士顿,1954年卒于麻省剑桥,美国物理学家。
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[23]这里主要指元素组成;在恒星中不存在化合物。
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[24]维尔纳·海森伯,1901年生于德国维尔茨堡,1976年卒于慕尼黑,德国理论物理学家。
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[25]发表于《物理学期刊》,1925年第33卷第879—893页,题为《关于运动学和力学关系式的量子理论新解释》(德文:Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen),标题中译采用了金忠玉、王士平《海森伯与中国物理学界》中的译法,发表于《物理》第39卷(2010年)第2期第136—141页。
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[26]带单位的数。
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[27]史蒂文·温伯格,1933年生于纽约,美国理论物理学家。
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[28]德文Helgoland,德国位于北海东部的小型群岛。
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[29]引自《终极理论之梦》(Dreams of a Final Theory),第四章《量子力学和它的遗憾》。译文参考了李泳译作,湖南科学技术出版社出版,有改动。
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[30]托马斯·赫胥黎,1825年生于当时英格兰米德尔塞克斯郡伊灵,1895年卒于伊斯特本,英格兰生物学家。
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