2017-09-03 根據(jù)天童老僧收藏的文章整理
給一些關(guān)于量子方面的知識(shí)
（刪減縮短）
宇宙中所有物質(zhì)都由原子構(gòu)成,那么原子又是什么？當(dāng)你把金戒指連續(xù)26或27次對(duì)折后，最小的那塊就是黃金的最小單位——金原子。
由此看來(lái)，“一尺之物，日取其半，萬(wàn)世不竭”只是一個(gè)形式邏輯，我們能諭其意，卻不知道它適不適合微觀世界。
量子世界是由基本物質(zhì)和光組成的。如果你帶著“量子眼鏡”去看兩塊磁鐵之間會(huì)有什么的時(shí)候，你會(huì)看到搖擺的原子，當(dāng)它們無(wú)限接近時(shí)，突然！一束光閃現(xiàn)，再接近，越來(lái)越多的光珠出現(xiàn)，或許你快被閃瞎了。這是一種神秘的力——電磁力。電磁力由虛光子攜帶，被一種叫做“電磁荷”的東西支配。宇宙中任何地方都存在電磁場(chǎng)，它相當(dāng)是磁鐵，虛光子可以在任何時(shí)刻出現(xiàn)。虛光子就是使同種電荷相排斥，異種電荷相吸引。
電磁場(chǎng)不僅規(guī)范了所有帶電荷和磁荷的物體的運(yùn)動(dòng)，而且還創(chuàng)造了一切帶電粒子和光！
要懂粒子，首先必須知道原子核以及它外面的電子。
電子躍遷是只在足夠小的尺度才發(fā)生的行為。電子自由跳躍，被稱為“量子隧穿”或“量子躍遷”。在量子世界里，所有粒子都能如此。當(dāng)然，“躍遷”或“隧穿”只是對(duì)粒子特性的描寫(xiě)，意思是說(shuō)它們可以任意穿梭不受任何阻礙。這一切的一切，只是在于它們能夠在周?chē)摹皥?chǎng)”中借到能量，并且，你不可能知道它們借到了多少能量，因?yàn)槟銦o(wú)法測(cè)得它的速度。
量子隧穿有點(diǎn)象天方夜譚。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)對(duì)他的學(xué)生說(shuō)：“如果你們理解了我要告訴你們的事情，那么顯然我沒(méi)有講清楚”。
德國(guó)物理學(xué)家賓寧和瑞士物理學(xué)家羅雷爾用實(shí)驗(yàn)證明了量子隧穿。他們將一根極細(xì)的針連接到電流儀上掃描物體表面，不讓針尖接觸表面，他們卻檢測(cè)到了電流，這意味著電流來(lái)自電子躍遷。他們由此得到啟示，造出了“隧道掃描顯微鏡”，用它能看到原子。他們因此而獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
如今的科學(xué)認(rèn)為，電子不是由更小的微粒組成，它們就是電磁場(chǎng)的產(chǎn)物，即是電磁場(chǎng)的一種表征，亦即前面所稱的虛擬光子。這種虛擬粒子是各種作用力的力載流子，它存在的意義在于攜帶了作用力。由此，實(shí)光子和電子一樣，是電磁場(chǎng)的基本表現(xiàn)，不由任何其它物質(zhì)構(gòu)成，它們的碰撞能產(chǎn)生神奇的效應(yīng)。
很多光子產(chǎn)生于太陽(yáng)內(nèi)核，大約8分鐘到達(dá)地球。當(dāng)它們逃逸太陽(yáng)之后，一遇到電子便消失了。這時(shí)電子變得狂暴不安，因?yàn)樗还庾蛹ぐl(fā)了。
電子吸收了光子，它們能發(fā)生相互作用和相互轉(zhuǎn)化。這視乎很奇妙，其實(shí)我們都熟悉。當(dāng)陽(yáng)光照耀在你的身體上，皮膚的原子和電子會(huì)捕獲一些光子而進(jìn)入激發(fā)狀態(tài)。在激發(fā)狀態(tài)下，電子的運(yùn)動(dòng)加劇，于是你就感受到了皮膚帶來(lái)的熱量。所以你可以明白物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化就是吸收或釋放光子。
原子在吞了光子后再吐出來(lái)，往往以顏色的形式“發(fā)光”，各種物體的顏色就是原子的電子在吞噬了光子之后又釋放出的顏色。假如沒(méi)有電子和光子的反應(yīng)，世界將是一片黑暗。
地球?yàn)槭裁从幸Γ繛槭裁茨阌植荒苤苯訚B透到地心，不能穿越地面？電子同樣可以給出答案：原子核外的電子排布有一定的規(guī)則，每個(gè)電子都有自己的軌道，如果某一層已經(jīng)填滿，新來(lái)的電子就只能寄托在其它軌道上（軌道相當(dāng)是一個(gè)區(qū)域）。這叫做泡利不相容原理，1925年，泡利因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了1945年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。你無(wú)法穿越地面，正是因?yàn)榈孛嬖拥淖钔鈱与娮硬辉试S你的最外層電子通過(guò)，你的電子必須保持距離。致于人為什么能隨意穿越空氣，這是因?yàn)楣獭⒁?、氣三態(tài)是有區(qū)別的，空氣中的原子（分子）可以為你讓路。
原子內(nèi)的原子核很有意思。它由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子比電子重了1836倍，中子也差不多重這些倍。1911年，新西蘭的物理學(xué)家盧瑟福發(fā)現(xiàn)了原子，但他不知道原子核的亞結(jié)構(gòu)，尤其不知道質(zhì)子或中子內(nèi)部還有更奇怪的結(jié)構(gòu)。
在質(zhì)子內(nèi)部，你會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)數(shù)的虛擬粒子的出現(xiàn)與消失。它們不同于虛擬光子，所攜帶的是另外一種作用力。這些力更加強(qiáng)大，使原子不至于瓦解，因此稱為“強(qiáng)相互作用力”。
具體來(lái)講，質(zhì)子中有三個(gè)叫做“夸克”的小東西，它們是三個(gè)形影不離的家伙，也是物質(zhì)世界最忠誠(chéng)的伙伴。它們之間的距離越遠(yuǎn)，強(qiáng)相互作用力就會(huì)越大。這三個(gè)狂暴的夸克在一起，需要膠子像膠水一樣地粘合看守，膠子也就成了三角戀的保護(hù)神。就這樣，膠子和夸克構(gòu)成了世界上的質(zhì)子，而膠子就是我們已知的最強(qiáng)大力量——強(qiáng)核力的攜帶者。
膠子和質(zhì)子（夸克）屬于另一個(gè)“場(chǎng)”，這也是一個(gè)量子場(chǎng)——強(qiáng)相互作用場(chǎng)，因此它們也能隧穿，突然出現(xiàn)，突然消失。這個(gè)場(chǎng)中有六種夸克，其中的兩種是“上夸克”和“下夸克”。質(zhì)子由兩個(gè)上夸克一個(gè)下夸克構(gòu)成。那么中子呢？英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯首先發(fā)現(xiàn)了中子是由于膠子禁錮了兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克而構(gòu)成，他因此也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
中子和質(zhì)子能共存于原子核內(nèi)，得益于強(qiáng)作用力。兩個(gè)膠子，在一瞬間變成了夸克！這時(shí)夸克成為另一種強(qiáng)作用力的攜帶者。當(dāng)它們與另外的夸克接觸時(shí)又變回膠子，膠子再瞬變成夸克，這樣的物質(zhì)交換，讓中子和質(zhì)子能夠共存，確保了原子核的穩(wěn)定。參與交換的粒子（夸克），由膠子來(lái)實(shí)現(xiàn)，被稱為“介子”，它們攜帶的力被稱為“強(qiáng)核力”，是一種非常大的吸引力。日本物理學(xué)家預(yù)言了它的存在也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
有趣的是，原子的核聚變，讓多個(gè)原子變成一個(gè)原子，自然會(huì)有多余的膠子和介子被解放。（就如部門(mén)合并會(huì)裁員一樣），膠子和介子帶有質(zhì)量，而這丟失的質(zhì)量變成了能量讓恒星閃耀。
有強(qiáng)相互作用力和強(qiáng)核力，當(dāng)然就有弱核力了，因?yàn)榇笞匀豢偸窍耜庩?yáng)一樣平衡。這種力能讓你恐懼，因?yàn)樗鼈兒蛷?qiáng)核力的作用相反，能讓原子核崩裂。這就是量子場(chǎng)的一種“弱核力量子場(chǎng)”帶來(lái)的效應(yīng)，它們也有自己的基本粒子和作用力攜帶者。
“放射性”是弱核力量子場(chǎng)的特征之一。它對(duì)人體有傷害，科學(xué)家們研究它是作出很多犧牲的，居里夫人就是其中之一。
金原子是質(zhì)量大一點(diǎn)的原子，但是黃金實(shí)是在恒星爆炸時(shí)產(chǎn)生的，而不是在恒星活著時(shí)形成的。不過(guò)金原子還不夠大，我們需要對(duì)钚-239進(jìn)行研究。在钚-239的原子核中，會(huì)有一個(gè)虛擬粒子擊中下夸克，讓其變成上夸克，于是，一個(gè)中子變成了質(zhì)子，這時(shí)膠子的保護(hù)作用就難以平衡了，整個(gè)原子處在非平衡狀態(tài)，開(kāi)始分裂變成更小的原子，每個(gè)原子核都在爭(zhēng)搶電子，這其中的每一步都會(huì)有大量的能量釋放。這就是弱核力的一種表現(xiàn)形式，其攜帶者就是w和Z玻色子。通常我們把這種現(xiàn)象叫做原子核的自發(fā)裂變，或者稱放射性衰變。
衰變會(huì)導(dǎo)致原子的能量減少，它被一種叫作“中微子”的粒子帶走了。中微子不受任何阻礙，能穿越人體皮膚，甚至能穿越地球，但它不帶來(lái)危害。危險(xiǎn)的是夸克禁備以及電子和光子。
夸克禁備被破壞往往是兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成為“阿爾法粒子”逃跑。它實(shí)際上是失去一個(gè)電子的氦原子。為了保持穩(wěn)定，氦原子會(huì)處處捕捉電子，當(dāng)你在附近時(shí)，它們就會(huì)在你的皮膚上尋找電子，造成了所謂的放射性灼燒。放射性衰變的第二種形式是釋放高能電子，它能在遠(yuǎn)處將你的皮膚上的電子擊飛。第三種是發(fā)射高能光子，如伽馬射線，它能把人體原子的電子帶走，同樣帶來(lái)灼燒傷害。更恐怖的是伽馬射線能穿透皮膚，威脅DNA編碼構(gòu)成，有可能導(dǎo)致基因突變或癌變。
在地幔層，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生衰變（在遠(yuǎn)古時(shí)期一定更劇烈頻繁）。衰變釋放的高能粒子產(chǎn)生巨大熱量，引發(fā)地震或火山等地質(zhì)變化。這是生命的災(zāi)難，但是，如果沒(méi)有遠(yuǎn)古時(shí)期的劇烈物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，哪來(lái)的原始海洋？怎么孕育出生命？也許，沒(méi)有放射性，我們就不存在了。
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道引力、電磁力、強(qiáng)核力、弱核力這4種作用力都有各自的基本粒子，其中引力子還拿不準(zhǔn)，或許它不存在。而電磁力由光子來(lái)攜帶，強(qiáng)核力由膠子來(lái)傳遞，弱核力由W和Z玻色子來(lái)轉(zhuǎn)化，虛光子、膠子、玻色子等都是虛擬粒子了。所謂的虛粒子，是根據(jù)量子力學(xué)的不確定原理確定的，意思是宇宙中的能量在短暫時(shí)間內(nèi)會(huì)在固定總值的左右起伏，這種起伏會(huì)誕生粒子，之后又馬上消失了，所以稱它們?yōu)樘摿Ｗ踊蚍Q準(zhǔn)粒子。
以上就是量子力學(xué)理論的基本背景圖像，但你需要先站在偉人的肩背上來(lái)學(xué)習(xí)。
“我想我可以很有把握的說(shuō)，沒(méi)有人懂量子力學(xué)?！崩聿榈隆べM(fèi)曼，1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主；
“上帝很微妙，但他不會(huì)惡作劇。我又很懷疑，或許上帝喜歡惡作劇?！卑柌亍?ài)因斯坦， 1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主；
“沒(méi)有任何能夠轉(zhuǎn)化為圖像的語(yǔ)言能描述量子躍遷?！瘪R克斯·玻恩，1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主；
“那些在一開(kāi)始接觸量子理論時(shí)沒(méi)有感到震驚的人不可能真正理解它。”尼爾斯·玻爾，1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。
物理學(xué)畢竟是一門(mén)科學(xué)，它應(yīng)該在理論上從簡(jiǎn)。于是，有科學(xué)家企圖將4種作用力統(tǒng)一。1979年，三位美國(guó)科學(xué)家作出了一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：電磁力和弱核力是另一種作用力、另一種場(chǎng)的兩種不同表現(xiàn)。被稱為“電弱場(chǎng)”。這為大統(tǒng)一理論鋪了一條道路。
按照量子理論，量子場(chǎng)中的實(shí)粒子用波函數(shù)描寫(xiě)，而波函數(shù)的圖像是概率的。因?yàn)榻o你一個(gè)粒子，如果你不去觀察，它到底沿著什么軌跡運(yùn)動(dòng)你不知道，你要觀測(cè)又測(cè)不準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子能同時(shí)經(jīng)過(guò)多個(gè)途徑！這就是量子場(chǎng)給粒子帶來(lái)的奇特效應(yīng)之一。它意味著實(shí)物粒子有分身術(shù)，同時(shí)存在于不同的空間和時(shí)間的點(diǎn)，你在任何時(shí)間地點(diǎn)都可能見(jiàn)到他，只是概率不同罷了。
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