读《时间简史》第四章 不确定性原理有感|混沌中走来一切开明

第四章 不确定性原理

19世纪,法国科学家拉普拉斯侯爵——宇宙是完全决定论的。

只要我们知道宇宙在某一时刻的完全状态,我们便能预言宇宙中,将会发生的任意事件,存在某些定律,它制约其它所有事物,包括人类的行为。

20世纪初,英国科学家,瑞利勋爵和詹姆士金斯爵士,做了计算,支出一个热的物体,如恒星,一定以无限大的速率辐射出能量。

1900年,德国科学家马克斯普朗克指出,X射线光波和其他波,不能以任意的速率辐射,而只能以某些称为量子的波包发射。每个量子具有确定的能量,波的频率越高,能量越大。

光只能以波包或量子的形式出现,它具有与频率成比例的能量的一串波。

用来观测粒子的光的波长越长,则粒子位置的不确定性越大,而粒子速度的不确定性越大。用来观测粒子的光的波长越短,则粒子位置的确定性越大,而速度的不确定性越大。

1926年,德国科学家,威纳·海森伯,提出不确定性原理。不可能同时精确地确定一个粒子的位置和速度,因为用光照射粒子,粒子反射光波,从而确定他的位置,但要精确测量位置,就要用短波,波长越短,单个量子的能量就越大,对粒子速度扰动越大。

普朗克常量

粒子位置不确定性×粒子质量×速度不确定性≥一个确定的量

这个量,不因测量方法和粒子种类不同而不同,而是物质的基本性质。

70多年后,仍有许多人不接受此理论,对于一个超自然的生物,存在一种完全决定的定律,这些生物可以不干扰宇宙地观测宇宙现在的状态。然而对于我们这些芸芸众生而言,对这样的宇宙模型并不感兴趣,值得去品味的一段话。

奥坚剃刀经济原理,将不能被观测的部分都切掉。

20世纪20年代,海森纳、埃尔温、薛定谔、保罗·狄拉克重新表述量子力学理论,粒子具有位置和速度的一个结合物即量子态。

量子力学并不对一次观测确定地预言一个单独的结果,它预言一组可能发生的不同结果,并告诉我们一个结果的不同概率。

爱因斯坦因对量子理论的贡献获得诺贝尔奖,但他从不接受机缘控制宇宙,“上帝不掷骰子",量子力学影响着晶体管和集成电路的行为,电视计算机的基本元件,现代化学和生物学的基础。物理科学未结合量子力学的只有引力和宇宙大尺度结构。

在量子力学中,存在着波和粒子的二象性,光的干涉,异相,当波动异向时其波峰和波谷相抵消,同相,当波动同相时波峰和波谷,分别重合并相互增强。

肥皂泡现象,在泡泡中看到的,绚丽无比的颜色,是由于从水的薄膜两边反射的光的干涉模式,

双缝实验,从双缝来的波在屏幕的不同部分相互叠加或相互抵消,利用粒子,譬如电子得到类似的条纹,证明他们的行为和波相似。

粒子间的干涉现象,对理解原子结构,至为关键,后者是作为,化学和生物的基元,量子力学之前,力学和电学定律预言,电子会失去能量并以螺旋线的轨道落在并最终撞上核上去,这表明原子,实际上所有的物质都会坍缩成一种高密度的状态。

丹麦科学家尼尔斯·波尔,在1913年提出,电子不能在离中心核任意远的地方,而只能在一些指定的距离处公转。

因为电子除了充满最小距离和最小能量的轨道外,不能进一步向螺旋靠近,这就解决了,原子坍缩的问题。

美国科学家,查理德·费恩曼引入对历史求和法,摹写波粒二相性,粒子从A到B,可走所有可能的轨道,和每个路径相关存在一对数:一个数表示波的幅度,另一个表示在周期循环中的位置。分子是由一些原子轨道上的电子围绕不止一个原子核运动而束缚在一起形成的。

原子论的演化

希腊哲学家,德谟克利特提出颗粒状原子模型,卢瑟夫的电子绕核公转模型,薛定谔的原子的量子力学模型。爱因斯坦广义相对论制约了宇宙的大尺度结构,它没有考虑到量子力学的不确定性原理,奇点理论,指出至少在两种情形下引力场,会变得非常强——黑洞和大爆炸。在这样强的场里量子力学效应应该非常重要。

未知让人好奇,想要去探索
未知让人迷惑,找不到方向入口
未知是所有新鲜事物的源泉
未知是一切混沌走向开明的起点
不确定性原理给未知这个少女
蒙上一层美丽的面纱
揭开面纱 遇见美丽
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