《沙滩上的薛定谔：带着量子物理学去度假》Epub-Pdf-Mobi-Txt-Azw3 下载在线阅读
夏尔·安东尼
7.5(22人评价)
埃尔温·薛定谔正是这一时期的标志性人物，他几乎参与了量子力学的每一个关键阶段，他的研究给这一理论不断带来决定性的启发。他创立了波动力学，他那只“处于生与死叠加态”的猫成为人人皆知的譬喻。他的方程描述了微观状态下粒子随时间而发生的变化，他与爱因斯坦一同提出量子纠缠这一概念，他还成功地为80年后出现的新兴的量子生物学开辟道路。
时至今日，我们每个人不知不觉中都在享用这一理论为我们带来的便利。从GPS、原子钟到智能手机，从医学成像到量子通信，量子物理学不可遏制地改变了我们的生活，影响了我们的未来。
法国物理学教授夏尔·安东尼用轻松诙谐的语言、直观明了的图表向我们展示了奇异的量子世界，我们在了解量子物理发展的同时，更能深刻地感受这一理论所构建的远大前景。
第二章 光和它的双重面孔
多个实验和现象都揭示了光最基本的双重性质，它既是波又是粒子（光子）群。波粒二象性是量子力学这一新理论为众人知晓的第一个特征。
“不是没有光照进我们的眼，而是我们的眼里没有光。”
——居斯塔夫·蒂蓬《我们触不及光的目光》
20世纪之前存在的一切，在进入20世纪后，其原有根基无不经历深刻且不可逆的剧变，我们的知识体系和生活中的每个领域——政治、经济、哲学、医学、教育、文学、绘画、建筑、物理、生物无一例外。20世纪上半叶，我们见证了各个领域中专业知识、技术及价值观的彻底转变。这些人文的、知识的剧变存在一些共同点，而其中之一，也是有趣的一点，便与量子物理的一个主要特性密切相关，那就是确定性的崩塌！
这首先体现在空间和时间上，也体现在物质本身及其稳定性、不变性及定位等不同层面。光的确定性也随之崩塌，它充满神秘感的波粒二象性为之后爱因斯坦、普朗克、玻尔签署量子物理的“出生证明”提供了珍贵的“羊皮纸”。
1900：历史上的重要节点
在一种微妙的共鸣和对世纪末这一特殊阶段的明显偏爱之下，前文提到的大多数剧变都选择了1900年作为起始年。
例如，在数学界，大卫·希尔伯特（1862—1943）在这一年的8月就引爆了一场数学革命。他提出了革命性的希尔伯特纲领和23个问题，后者引发了一场对数学领域根基与结构的全盘质疑。质疑声不断高涨，直至1931年达到高潮。那一年，库尔特·哥德尔提出了著名的不完备性定理，推翻了数学领域中各部分的内在一致性。
在艺术领域，当塞尚开始创作《大浴女》，当高迪在巴塞罗那完成了他的卡尔维特之家时，所有的新艺术便在世纪之交蓬勃发展起来。当埃克托尔·吉马尔为巴黎地铁站入口的设计勾勒草图时，克里姆特正想着他那性感的《朱迪斯》，勋伯格正考虑放弃调性……1900年，也就是毕加索在巴黎举行作品首展的那一年，如同一则蓄势待发的未来宣言，预示着现代艺术的立体主义、达达主义和超现实主义革命的诞生。
1900年，当魔术师哈里·胡迪尼在欧洲各国首都巡演后成为家喻户晓的明星时，鲁德亚德·吉卜林正触及他的荣耀巅峰，奥斯卡·王尔德却飘飘仙逝，路易斯·阿姆斯特朗、雅克·普莱维特、圣埃克苏佩里、路易斯·布努埃尔、罗贝尔·德斯诺等也降临人间。
在哲学领域，尼采于1900年离世，罗素对形而上的思考开启了存在主义和分析哲学的世纪。也是在这一年，胡塞尔的第一部巨著出版，荣格完成了他的博士论文，弗洛伊德正在推敲打磨他的精神分析理论。
如果说社会主义激进分子罗莎·卢森堡和语言哲学家维多利亚·维尔比夫人的名誉在当时已至巅峰，那么，另一个崭新的世纪则在印度浓厚的知识分子气息之下缓缓拉开帷幕。对此，爱因斯坦的朋友——诗人泰戈尔——功不可没，哲人僧侣辨喜也贡献良多。后者将印度教和吠檀多哲学介绍到了西方世界，对欧洲众多科学家的思想产生了深远影响，这一点在薛定谔身上尤为明显。
极为巧合的是，物理学领域在这一年也发生了剧变。英国的开尔文勋爵则是引领剧变的第一人。1900年4月，他在一堂课上正式地将当时经典物理学天空中的两朵乌云提了出来，即以太的存在问题和黑体问题（我们之后会讲到）。这两个问题最终催生了20世纪的两大重要理论——相对论和量子力学。
8个月后，也就是1900年12月，普朗克实现了第二次超越，他提出了光与物质能量交换的量子化假说。这一假说最初被认为是为了解决黑体问题而专门提出的一种数学妙计，却在不经意间成了后来物理学世界观变化的源头，而这一变化便是量子物理学的核心所在。
20世纪初的这一段时间在科学文化发展史上起了承上启下的作用，也宣告了一场全球性政治、经济和社会层面上的复兴，这种复兴既有解放之感又令人生畏！维多利亚女王统治时代即将完结之时，也正是非洲的发展初期，这段历史时期为其50年后摆脱殖民束缚奠定了基础，但其间也有很多人遭受迫害。
巴黎国际博览会之后，在南非爆发的第二次布尔战争中就发生了20世纪的第一次大屠杀，这不由得让人担心，全世界16亿生命的未来或将笼罩在阴霾之下。在这16亿人中，一位来自奥地利名叫埃尔温的13岁少年正在念初中。他通晓多种语言，酷爱戏剧，还不知道自己的姓氏有一天会成为一个崭新的、革命性的物理学标志。在这个物理学的世界中，一切都是波，同时也是粒子。我们首先要讲的，便是人人每日沐浴其中却神秘难解的光。
光是一种波吗？
19世纪末，一切或几乎一切都让人们相信科学工作已穷尽，科学事业已完备，自然界的主要法则都已汇编在册，只剩下一些微不足道的小问题有待解决。物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊曾于1894年预言，科学的未来在于探寻小数点后第六位的数字，也就是说未来的科学工作只不过是提高计算和测量仪器的精确性罢了。
在那个时代的“小问题”中，有两个似乎是厘不清的，那就是众所周知的物理学晴空中的“两朵乌云”。1900年8月，开尔文就这两个问题向英国皇家科学研究院做了报告。一是关于地球相对于以太的运动。所谓以太，就是那个时代人们假想的微小物质，人们认为宇宙空间中充满了以太，“从而撑起了这个世界”。另一个问题是关于热和能量之间的联系，特别是固体物质吸收能量的方式。与此相关的是比热异常问题：比热（使1千克的某种物质的温度升高1摄氏度所需要的能量）随温度的下降而下降，这与当时物理学经典理论所预言的比热恒定不变相矛盾。
第二朵“乌云”还与一种物体在恒温下的辐射有关。人们也将这一问题称为“黑体问题”，因为这种物体不会发出可见光，所以在我们看来就是黑色的！（当然，光波是看不见的，正如我们的皮肤在夏天受到紫外线照射时总会提醒我们紫外线是看不见的，却是真实存在的一样。）光波的强度，就像在实验中测出的那样，与经典物理学理论预言的结果并不一致。这便是黑体问题的由来。
正是这两个问题催生了现代物理学的两大支柱理论，这两大理论都是由爱因斯坦在1905年通过发表一系列不同凡响的文章提出的。
颇具相对性的科学终结论
有意思的是，我们发现激昂地宣称科学即将走到尽头这样的事情在一段时间后总会再次出现，且出现的时间点往往是世纪末，虽然这只是表面上的迹象。从这一点上讲，20世纪末的人们无需羡慕19世纪末的时代，因为那一时代更为夸张地宣称过一个完备的“万物理论”即将完成（事实当然并非如此）。
然而，恰恰是在这些傲慢自负的年代，各种实验、计算或观测结果纷纷涌现出来，推倒了这座美丽的经典大厦，或者至少使其出现了裂纹。开尔文1900年提到的那两朵乌云似乎在现代社会产生了回音，如今科学上的乌云被称为暗物质、暗能量、高温超导、生物体内怪异的量子效应、量子测量问题、能量沙漠和标准模型常数、物质和反物质的不对称性、时间之箭的存在、超高能宇宙线的起源……当然，还有量子力学与广义相对论之间无论是在数学上还是在物理学上的极大不相容性。
虽然某些前辈大师（包括皮埃尔·伽桑狄、笛卡尔和牛顿）认为光是由粒子（即发光的极小能量粒子，也就是后来我们命名为光量子或光子的东西）组成的，但到19世纪末20世纪初时，人们已经有了充足的理由认为光是一种波。
17世纪末意大利的格里马尔迪和荷兰的克里斯蒂安·惠更斯进行了一系列实验，从那时起，有一点已成为不争的事实，那就是只有光的波动理论才能解释光的干涉这一奇怪的物理现象。
根据其常用的意思，“干涉”这个词可能会让人联想到“干扰”，但其实这里的干涉与任何一种干扰都无关。我们在日常生活的许多情境中都会遇到光的干涉现象。当发生光的干涉现象时，微观结构会使光波发生偏折并对其产生影响（也被称为衍射）。比如，肥皂泡膜或油膜上会呈现出七彩色泽，CD碟片的槽纹也会使表面产生色彩斑斓的条纹。人们通过一个简单且具有标志性的实验完美地证实了光的干涉现象，这就是杨氏双缝实验。
在活泼开朗、光芒四射的物理学家理查德·费曼（1918—1988）看来，这个双缝实验甚至可以说是物理学最美的实验。从双缝实验的那些变体实验在近些年所引发的有关时间和空间的问题来看（见第五章），毫不夸张地说，双缝实验也绝对是众多实验中最吸引人、最具神秘感的实验。
然而，它又是如此简单，仅仅是将光照射在一块不透光的双缝板（或双孔板）上并观察后屏上光的强度而已。
如果前板上只开一条缝，光照的结果就是后屏上呈现出一条与前缝宽度近似的光带（由于衍射现象的存在，光束通过洞或缝后会扩展开，所以实际上后屏上的光带比前缝略宽）。当前板上开了两条缝时，我们还天真地以为两条缝正后方的屏上可以看到两条光带。当然，当这两条缝足够宽且相隔足够远时，我们的确会观察到这样的结果。但当双缝特别狭窄且离得足够近时，一切就全然不同了！
在这种情况下，我们在后屏上光照叠加的区域，出现的并不是两条光带，而是一连串狭窄的明暗条纹，观察到的有点儿像皮埃尔·苏拉热为孔克的教堂所创作的彩绘玻璃窗上的图案。通过测量，我们甚至发现这一区域中光的强度是有周期性的上下波动的，就像正弦曲线那样，亮条纹对应着波峰，暗条纹对应着波谷。
我们需要达成共识的是，实验中最令人惊讶的不是后屏上某些地方（亮条纹对应的地方）的光比前板只开一条缝时要多。不，不是这一点。最令人困惑的，有的区域虽然被两束光照到了，却完全是暗的！如此一来，光上加光的结果竟是黑暗……剧作家奥利维耶·庇曾经说过，“诗人应该用光明来制造黑板”。那么，我们现在可以说，诗人已不再是唯一可以用光明制造黑板的人了，因为黑暗可以不是光明的反面了。
但如果我们觉得这一奇怪的现象与自己的直觉相悖，那主要是因为我们还没有习惯把光看成一种波。我们可以很好地证明后屏上的暗条纹之所以暗，并不是因为没有光线照过来，而是因为两个关系微妙的波叠加到一起，抵消了对方。
什么是波？
“波”这个概念，事实上囊括了许许多多看似相去甚远的现象。这其中，有水中的涟漪、海洋上的浪、弦的振动、声波或乐波、冲击波、地震波、光波，有热传导、电流、化学反应、流行性疾病产生的波，有公路交通变缓时产生的波，还有谣言、思想等产生的波……
这些波都有一个特点：总是有信息在传播，传播的介质可能是物质也可能是空间。这一信息的转移，有时也是能量的转移，不（怎么）需要借助物质，而是得益于一个物理量的振动。这一物理量，充满一定时空范围内的任何时空节点，我们通常称之为场。
波可以是标量（也就是一个数，如同天气预报中气温气压图上标注的那样），也可以是矢量（即“箭头”，有长度，在空间中也有方向，就像罗盘中由指针显示出来的地球磁场一样），还可以是其他更加抽象的量，如张量（用于描述著名的引力波）。
比如，对于一股我们从躺椅上看到的海浪来说，波在某一点的大小就是这一点的水位高度。对于声波来说，波是分子的振动。这种振动在一个物理介质中（以音速）逐渐传播。在空气中，是空气分子在振动，而在某种材料中，则是组成这种材料的原子在振动。我们可以选择原子的压力或运动作为定义波的物理量。
与海浪和声波不同的是，光波不需要物质载体便可以存在，且能在真空中传播（因此在宇宙空间中，激光剑那永恒的寂静感令人害怕）。与之相关联的物理量是一个矢量场，即电磁场。
在量子物理学中，概率波讲的是一个物体（原子、分子等）在某一处出现的概率，是一种标量波。空间中的每一点都对应着一个数，数值在0到1之间不等，且可能随着时间的变化而变化。在所有数值为1的地方，作为探测对象的物体就肯定能被找到（即概率是100%）。同理，在所有数值为0的地方，也有一点可以肯定，那就是该物体无法被探测到。相反，数值在0到1之间的任意一处（如0.59或0.37），位置测量的结果就不能肯定了，它是随机的，被找到的概率与这一处的数值相等（如数值为0.59那一处的概率是59%，数值为0.37那一处的概率是37%）。
为了弄懂干涉条纹为什么会是明暗相间的，让我们来想一想水面上的波纹，这比光波更加直观。
当我们将一块石子掷入平静的水中时，会产生同心圆般的波纹，波纹随后会向外扩散，逐渐弱化。但这里要注意的是，并不是水在扩散，水只是有规律地上下起伏，并没有向着波纹扩散的方向移动。真正在扩散的，其实是信息（即掷入水中的是一颗什么样的石子。比如，小石子产生的波纹和大石子产生的波纹是不一样的）和能量（位于较远处水面上的一个漂浮物会随着水波在那里产生的波峰和波谷以交替的节奏上下起伏）。
如果我们用手或一个物体有规律地轻触水面，就可以产生与上文所讲的一样的波，但这种情况下所产生的波是持续的，我们称之为行波。波纹在离振动区域较近处是环形的，但渐行渐远时会变得越来越直（或越来越平），有点儿像大海上的长浪。
在这种情况下，水波最高隆起处与原静止水面的高度差就叫波幅，即波峰与波谷高度差的一半。相邻两个波峰或波谷之间的距离叫波长，也就是一次振动过程中波所前进的距离，振动的时长叫周期。周期的倒数叫波的频率，即振动在某一处每秒钟产生的波峰/波谷数。波的频率和波长之间的关系就很明显了：波的频率越高，波长就越短，反之，波的频率越低，波长就越长
![《原则2：应对变化中的世界秩序》[美] 瑞·达利欧Epub-Pdf-Mobi-Txt-Azw3 下载在线阅读](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjeI8gec4T1hsb-I34qIvLYr6RDp1UD2dAj0W1dR27-2V0li8PovGbDmANqcep1BBFmgYrYQslV0wKPDLhzBHMbFi9y_QPNkpjHo2SZwiugDAGquihKRU5sstizJnpWe3LlEqxhBAnHCeeaEY_TNBBcPt4CN8hAE1vFyA66uDTjYTBZRzaRKhK9y4HHYQ/w72-h72-p-k-no-nu/c5492f4885c4a1e422715f86e46e31f8.jpeg)
博文
0 评论