1700922520
1700922521
普朗克向人们展示,要描述热物体发射的光能,只能假设发射是以量子的形式。这就从麦克斯韦关于光的图像那里挖走了墙脚的第一块砖。最终是爱因斯坦挖空了墙脚,让经典物理学的大厦轰然倒塌。他对光电效应的诠释,不仅要求光以小包发射,还要求它与物质以局域波包的形式相互作用。换句话说,光的行为真的像粒子流一样。
1700922522
1700922523
光由粒子组成的,或者说,“电磁场是量子化的”,这种观念极富争议,在爱因斯坦首次提出它的数十年后仍未被接受。爱因斯坦的同僚不愿接受光子的观点,这可以从推荐爱因斯坦加入声名卓著的普鲁士科学院(德文:Preußische Akademie der Wissenschaften)的一份提案中看出来。这份由普朗克本人联署的推荐案完成于1913年,距爱因斯坦引入光子晚了整整八年[106]:
1700922524
1700922525
综上所述,在当代物理学如此众多的重大问题中,几乎没有一个是爱因斯坦未曾做出重要贡献的。他在推测中有时也会无的放矢,如他的光量子假说,但这不能过分苛责他;因为若不偶尔勇于冒险,就不能在最精确的自然科学中引入真正的革新。
1700922526
1700922527
1700922528
1700922529
换句话说,没有人真正相信光子是真实的。人们普遍认为普朗克较为稳妥,因为他的提案更多地涉及物质的性质——发射出光的小振子——而不是光本身更有关联。要相信麦克斯韦的优美波动方程需要被替换成一个粒子理论,实在是太奇怪了。
1700922530
1700922531
笔者提及这段历史,部分原因是为了让你相信这些困难是要接受量子理论所必须面对的。难以形象地想象一个东西,比如一个电子或光子,表现得有一点像粒子,又有一点像波,或者谁都不像。爱因斯坦在余生中始终保持着对这些问题的关注。在1951年,也就是去世前四年,他写道:“五十年的沉思没能使我接近这个问题的答案一步:什么是光量子?”
1700922532
1700922533
六十年之后,无可辩驳的是,这个我们正在用一系列小钟来构建的理论,能以可靠的精度给出所有用于检验它的实验结果。
1700922534
1700922535
1700922536
1700922537
1700922539
量子宇宙 回到海森伯不确定性原理
1700922540
1700922541
那么,这就是引入普朗克常数的历史。但是在我们的目标中,最值得关注的东西,是普朗克常数具有“作用量”的单位;换句话说,它和告诉我们钟要转动多少的量,是同一种东西。它的当代数值是6.6260695729×10-34kg·m2/s,用日常标准来衡量是极小的。这就是我们没有在日常生活中感受到它无处不在效果的原因。
1700922542
1700922543
1700922544
回忆一下前文中,当粒子从一处跃至他处,对应的作用量就是粒子的质量乘以跳跃距离的平方,再除以跳跃发生的时间间隔。这个结果以kg·m2/s单位度量,和普朗克常数一样,所以如果简单将作用量除以普朗克常数,就能抵消所有的单位,得到一个纯数。按照费曼的方法,这个纯数就是我们在考虑粒子从一处跃至他处的情形中,与之关联的钟要转动的角度。例如,如果这个数是1,就是说转动1整圈;如果是1/2,则转动1/2圈,以此类推。用符号表示,在粒子于t时间内跳过x距离的情形中,钟指针转过的精确圈数是。注意因子1/2出现在了公式中。你既可以认为需要这个因子是为了符合实验,也可以注意到它来自作用量的定义[107]。两者都行。现在我们知道了普朗克常数的数值,就可以真正量化转过的圈数,并且解决前面留下的问题。就是说,跳过“10”单位距离到底是什么意思?
1700922545
1700922546
让我们看看,用这个理论处理日常标准中的小物体——一粒沙子,会得到什么。我们发展出的量子力学理论表明,如果把沙粒放在某处,则在之后某时刻,它可以位于宇宙中的任意位置。但这显然不会发生在一粒真实的沙子上。我们已经瞥见了解决这个潜在问题的方法,因为如果钟之间有足够的干涉,对应沙粒从多个不同的初始位置开始跳跃,则它们会互相抵消,使沙子保持静止。我们需要回答的第一个问题是,如果我们把质量等于一粒沙的粒子,在一秒时间内,搬运0.001毫米,钟会转过多少圈?我们不能够用肉眼看到这么小的距离,但对于原子尺度来说它还是相当大的。你可以很容易地将这些数代入费曼的旋转法则中,并算出结果[108]。答案是钟大约得转动一亿年。想象一下这么多圈能产生多少干涉。最终结果是,沙粒留在原处,并且它跳到可辨远处的概率几乎没有,尽管我们真得考虑这粒沙子曾暗中跃至宇宙各处的可能性,这才得到了那个结果。
1700922547
1700922548
这个结果十分重要。如果你自己代入数据做计算,就会意识到事情的原因:普朗克常数极小。写出完整形式,它的值是0.00000000000000000000000000000000066260695729kg·m2/s。用任何日常的数除以它,都会得到很大的转动圈数以及很多干涉相消。结果就是,沙粒横跨宇宙的诸次异域之旅完全互相抵消,而在我们的感知中,这位穿越寰宇的旅行者只不过是一粒无趣的沙尘,纹丝不动地躺在沙滩上。
1700922549
1700922550
我们特别感兴趣的当然是,钟没有互相抵消的情形。我们已经看到,如果钟的转动不超过一圈,就会发生这样的情形。这种情形下,“量子干涉的狂欢”就不会发生。下面来看看这在定量上意味着什么。
1700922551
1700922552
1700922553
1700922554
1700922555
图4.4:现在我们不取定钟群大小、或者到X点的距离的数值,其余和图4.3一样。
1700922556
1700922557
我们回到图4.4中画出的钟群,但是这次的分析会更抽象,而不是使用具体的数。我们假设,钟群的大小等于Δx,而X到钟群中最近位置的距离是x。在此情形中,钟群大小Δx对应我们对粒子初始位置认识的不确定性;它从一个大小为Δx的区域出发。我们从点1也就是钟群中离X最近的位置开始,从这个点跃至X,对应的钟的旋转量为
1700922558
1700922559
1700922560
1700922561
1700922562
现在我们来考虑最远的点3。把钟从那里移动到X,它会转过更多的量,即:
1700922563
1700922564
1700922565
1700922566
1700922567
现在我们可以精确地阐述,钟从钟群中所有点传播到X,并且不抵消的条件:分别从钟1和钟3出发的钟,转动圈数之差应不小于一整圈,即:
1700922568
1700922569
W3-W1<一圈
[
上一页 ]
[ :1.70092252e+09 ]
[
下一页 ]