充气猫 通过量子力学看科学的本质(连载) 量子力学best!

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等我长大的时候[wuhoushanquan@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 48楼
猫猫好久没来了

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发表于 2009-06-13 12:23:07




弹铗作歌[dewdp@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 49楼
通俗易懂，写的很好，鼓励鼓励

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发表于 2009-06-17 00:48:54




zhaoggcat[zhaoggcat@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 50楼
充气猫写的很好，我对物理是外行，也是一个信佛的。不过我倒不会勉强把佛学和物理联系在一起，毕竟两者都非常精通的人太少了，许多人写的东西都不值一看。不过，佛教对世界的哲学看法，相比我们平时接触的唯物辩证法，要和相对论和量子论更接近。按照唯物论的哲学体系，量子论是很难存在的，但是许多实验结果却证明量子论是对的。量子论在很大程度上混淆了唯物论的基础之一，主观和客观，证明了唯物论硬性分开主观和客观是一种简单有效，却不正确的方法，在这一点上，佛教做的很好。

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发表于 2009-06-24 14:57:17




zhaoggcat[zhaoggcat@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 51楼
虽然如此，但是我还是希望大家物理只讨论物理，宗教只讨论宗教。毕竟物理是自然科学，宗教至少是哲学体系。如果混在一起讲，许多时候会冒出外行话的。

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发表于 2009-06-24 16:07:36




充气猫[leesqiuqiu@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 52楼
回来了,继续

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发表于 2009-06-25 09:21:37




充气猫[leesqiuqiu@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 53楼
一开始描述原子的结构用的是卢瑟福提出的行星模型，电子就象地球围绕太阳转一样围绕原子核运动。这个模型的好处就是它说明原子之所以比原子核大得多是由于电子的轨道构成了原子的表面。但是如果要说电子象行星围绕恒星那样围绕原子核运动就出现问题了，因为电子如果围绕原子核作圆周运动等同于在做一种不断向原子核加速的运动，根据麦克斯韦的电磁学理论，电子加速的时候会辐射出光并失去能量，从而掉进原子核。那么怎么理解电子在原子表面的运动呢，显然电子不可能静止在原子表面，不确定性原理要求即使处在最低能量级的电子也必须进行零点运动，实际上就象前面讲的，电子以量子几率幅的形式出现在原子表面，我们不能精确的知道它在哪里，只能知道它出现在某个位置的概率。电子出现在原子表面的几率波实际上是一种驻波，类似于绳子驻波。把一根绳子两头固定住然后抖动绳子，产生的波动就叫驻波，驻波不能传输能量，但是只有特定波长的波才能正好适合绳子的两端，现在是不是有点明白了，驻波不能把能量传导出去，能量始终储存在绳波内部，而且由于绳子两端的“隔断”，只有特定波长才能适合固定的两端。反映到电子上就是电子在原子表面的量子几率幅（量子路径总和）必须适合它所在的电势阱（相当于绳子固定两端），电子的量子几率幅代表的是电子能量，而且要正好适合所在的电势阱的“尺寸” ，也就是说电子在原子表面的能量态必须是固定的能量级的形式。这个就是为什么原子表面电子能量是量子化的，现在清楚了，电子就是以一种不动的波函数形式排列在原子表面的，这样就不会因为加速而失去能量（驻波不散失能量），多个电子以不同的量子化能级“堆砌”起来，基态的能级量子数为n=1，第一激发态n=2 ，以此类推，实际上能级的概念就代表了电子在原子表面的空间排列方式，怎么来理解呢？你可以把每一个能级n看作是电子所住原子酒店的一层楼。基态能级的空间结构非常简单，是一个球对称的形状。但是激发态会怎么样呢，显然激发态拥有比基态更大的空间，因此激发态的能级会有好几个波函数与之对应，称之为简并。这里要用到量子角动量来表示，就好像行星围绕太阳运动具有角动量，电子轨道也有角动量，不同于经典的角动量概念，电子轨道的角动量是量子化的，只允许是普朗克常数/2Л的整数倍，用两个量子数L和M表示，L代表轨道角动量的能级量子数，M代表方向。角动量量子数L有四个能级，L=0、L=1、L=2、L=3，分别用S(sharp),P(principal),D(diffuse),F(fundamental)来表示。对于n=1的能级来说，它只有一个对应波函数1s态（n=1，L=0，M=0）；对于n=2的能级来说，就有1个2s态（n=2，L=0，M=0）波函数和3个2P态（n=2，L=1，M=0）、（n=2，L=1，M=+1）、（n=2，L=1，M=-1）波函数，前面说过了M代表方向，2p态的三个方向可以看作x，y，z三个方向的对称波函数。同样的如果L=2，可以想见应该对应有5个方向（M=0，M=+1，M=+2，M=-1，M=-2）。怎么来理解呢？到现在为止我们讲的其实都是一个空间的问题，同样可以用原子酒店打比方，在酒店的一楼（n=1）只有一间客房（1s基态），二楼（n=2）有4间客房（一个2s基态和3个2p激发态），三楼（n=3）有4间客房（一个3s基态和3个3p激发态），四楼（n=4）有9间客房（一个4s基态，三个4p激发态和五个3d激发态），以此类推，大家可能注意到，在四楼出现了应该在三楼的房间（3d激发态），这个是因为，随着n数增加，代表的电子轨道空间变大了，出现了不同n数的电子轨道混杂现象，这个在理解元素性质时非常重要.

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发表于 2009-06-25 09:22:43




充气猫[leesqiuqiu@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 54楼
好了，现在调整好思路，现在描述原子中电子的位置直接用量子化能级的概念了，能级也就是电子的量子几率幅（波函数）的能量，电子几率幅就是电子的路径总和。我们知道元素的性质跟原子有多少电子或者多少质子有关，如果电子全都处于基态能级，那么所有元素的化学性质就都应该是一样的，也就没有元素周期表了，电子显然不能挤在一块，这里就需要讲到泡利不相容原理。因为一个叫塞曼（Zeeman）的科学家发现原子光谱线会分裂，这个当然因为电子在原子表面运动就像一个小电流还会形成一个小磁场一样，但是塞曼观察到的光谱线非常的多，这样还是解释不了。因此就提出了电子还有自旋角动量，这个电子自旋很难理解，总之不能用经典意义上的自旋来考虑，实际上这是电子波函数的方向属性，你需要加点想象在这上面才好理解。泡利提出电子在原子表面存在的空间是量子化的，它只允许电子有两个自旋方向，要么顺时针称为“自旋向上”，要么逆时针称为“自旋向下”，相当于学电磁力学的手形对不对，这个也是为了帮助理解的说法，需要想象。举个例子，在原子表面能级n=1的基态上，刚才讲过了，你可以看作是酒店的第一层，这一层只有一个房间，泡利规定一个房间只能住两个电子，并且他们的自旋方向必须相反（原子酒店只提供夫妻房，同性恋禁止入住）。如果再要增加一个电子，那么对不起它只能搬到楼上的房间去住了。这个就是泡利不相容原理的意义，它帮助我们理解了元素属性，并知道了为什么东西会变硬。比如氢原子，原子核只有一个正电荷，因此只带了一个电子，这个电子就分布在1s的轨道上，那么这个轨道还剩下一个自旋方向相反的空位，如果另一个氢原子，只要它所带的电子自旋方向相反，这两个电子就可以相互靠近，形成一个共价键的稳定氢分子H2，但是因为这时氢分子间的基态能级已经完全被占据了，泡利不相容原理不允许再有其他氢原子加入进来，因此我们找不到H3。这也说明了氢的化学性质是活泼的。好了现在电子是怎么构成原子表面的基本情况清楚了，再考虑一下对物质波的理解。

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发表于 2009-06-25 09:24:59




zhaoggcat[zhaoggcat@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 55楼
支持充气猫大哥。

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发表于 2009-06-25 09:30:06




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泡利不相容原理看来就是一夫一妻制

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发表于 2009-06-25 09:30:32




充气猫[leesqiuqiu@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 57楼
就象在绳子驻波的波节上可以发现绳子没有动一样，在原子表面也存在一些地点根本找不到电子，这也是电子波函数是一种驻波的证明。同样的道理光为什么是一份份的光子组成的，为什么光子的能量是量子化的，同样是因为一个光子相当于一个驻波，它保有一份固定的量子化能量，光子的频率不同，它的能量也不同，光电效应中，之所以只有特定波长的光才可以引发光电效应，就是因为该波长的光子能量，正好等于把电子从基态打到激发态的能级差。能否产生光电效应，跟光的频率有关，跟光的强度无关，一个频率合适的光子从十米外发射和从十亿光年外发射都一样能引发光电效应，这也说明光的传播具有粒子性质。电子这样明显的粒子具有波性，而光这样明显象波的东西具有粒子性，这说明什么呢？说到底根据德布罗艺的物质波理论，所有物质都是波粒两相的，其物质波表达式为λ=h/p，对于宏观粒子，由于物质波的波长比物质直径小的多，因此我们看不到它们的波动性质，但是对于量子粒子，德布罗艺物质波的波长就足够它们产生诸如衍射干涉这样经典波的现象了。
那么对于自由电子呢？我们想想前面说的双缝实验，如果说从A点发射一个电子到B点，那么电子走过的路经就是所有它可能走过的路经之和，也就是它的量子几率幅，发出的时候是一个电子，到达的时候也是一个电子，发出时的能量完整的送到目的地，而中间对应的路径居然是一个波。同样的过程对于一个光子也是一样的，从这个角度看电子波或光波似乎又是一种行波，因为它把电子或光子从A传输到了B点，但是根据量子力学，你可以把A到B点整个看作一个量子系统，那么对应电子从A到B点的这个量子几率幅不就是一个固定的波函数吗？换句话说，整个电子从A点到B点的波函数不就是一个以AB为两端的驻波吗？因为该波不会把电子传输到波形外面去等同于驻波不传输能量。同样的道理也一样可以说明光子的运动，按照我的理解，电子从A到B的运动过程可以看作电子以自身为介质的电子波的波动过程，这样形成了一个把电子从A点传输到B点的行波表象。同样对于原子表面处于基态能量的电子波函数可以看作电子零点运动和本身波函数的组合效应，而激发态波函数就是电子激发态运动和本身波函数的组合效应，而本质上来说一切物质波都是驻波。（这也是为什么在研究引力时要引入引力子概念，因为引力波也是物质波，如果物质波是行波那么它传输能量是自然而然的，何必要引入类似光子的引力粒子呢？）现在想象一下，把一颗子弹从A发射到B，这个过程中子弹不断变小，随着子弹小到只有差不多一个原子时，我们看到子弹路经开始发生衍射，随着子弹变的越来越小，子弹的衍射路经也越来越多，最后就完全只看到一片波了。在我看来驻波应该就是形成粒子性的本质含

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发表于 2009-06-25 09:34:46




充气猫[leesqiuqiu@sohu] [加为好友] [传小纸条] [送礼物] [回复] [加入个人文集] [投诉] 58楼
回过来解释电子的量子跃迁问题，当电子从基态跃迁到激发态时要吸收能量，同时我们知道跃迁的能量是量子化的，这份能量必须恰好能使电子从基态跃迁到某个激发态，因此在光电效应中，只有特定频率的光才能引发光电效应就不奇怪了，因为只有具备特定能量的光子才能正好让吸收电子获得跃迁所需能量。顺便说一下，因为光子被电子吸收的方式不同于经典概念中的撞击，科普园地中有人因此认为光子不是粒子，这是因为这些人经典物理虽然了解的不少，但对于量子世界没有深入了解所致，量子粒子实际上分为两种，波色子和费米子，费米子需要遵守泡利不相容原理，例如电子它们不能聚集到同一个能量态上，宏观粒子是费米子都要遵守泡利不相容原理，所以会有经典的撞击现象，注意撞击本质上也是一种能量交换形式。而光子是波色子，它们不遵守泡利不相容原理，实际上条件允许，它们趋向于集中到一起。而且即使光子是波色子，它依然能表现出粒子性，大家知道一个常温下的原子围绕一个中心作震荡，如果使用一束激光照射原子，激光束的频率又不足以将原子打到激发态上，那撞到原子上的光子就会被弹回来，这时候就看到光子粒子性了，你可以看到原子在这个方向上的运动被减缓了一点，如果用一束这样的激光照射一个原子气团，那么运动方向正好和激光方向相对的原子速度会变慢，但是原子在别的方向上的运动会加快。因此可以通过6束激光使原子在各个方向上都慢下来，这个实际上就是制造接近绝对零度低温的方法。这意味着光子具有动量，说明了光子运动的粒子性质。

再回到量子跃迁，一个电子吸收一个能量合适的光子受到激发跃迁到激发态，一段时间后，因为基态现在少一个电子，所以这种情况是不稳定的，如果电子接收的光子能量稍大，能够使电子到达一个激发态，但是又不足以到达更高一层激发态，那么多余的能量将使电子在该激发态上震荡，导致不稳定，或者电子吸收的光子能量正好使其激发到该激发态，但是电子固有的零点运动还是会导致不稳定，所以电子最终还要再回到基态，时间早晚而已，同时放出一个与入射光子频率一样的光子，这叫自发辐射。另外一种情况，如果原子中电子还处在激发态，再向原子发射一个光子，这个光子的能量不足以把电子激发到更高一层的激发态去，这样电子就退回到基态，同时发射出两个能量相位都相同的双胞胎光子，想想这个是什么？对了，这就是一对前面提到过的处于量子纠缠态的光子，现在我们有了量子纠缠态的光子再结合光学偏振镜就可以做ERP试验检验贝尔不等式了。

所有跟帖： 

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• 充气猫3 物理让我们看到了数学在现实中的表现 -marketreflections- ♂ (3018 bytes) () 08/06/2009 postreply 12:49:14

• 测不准定理的本质是什么,就是物质的退相干性 -marketreflections- ♂ (1130 bytes) () 08/06/2009 postreply 12:58:45

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