给孩子讲量子力学 – 读书笔记

量子世界是什么样的

在《自然哲学的数学原理》著作里,牛顿爵士建立了一门全新的学科,叫经典力学,也叫牛顿力学。其核心是牛顿三定律和万有引力定律。
牛顿第一定律说的是,如果没有外力,物体会一直保持它原有的运动状态。
牛顿第二定律说的是,力能改变物体运动的速度。质量越大的物体,要改变其运动状态就得花更大的力气。
牛顿第三定律是说,如果你对物体施加一个作用力,就会受到物体给你的一个大小相等、方向相反的反作用力。
万有引力定律:它说的是,任何两个有质量的物体之间都存在着一种彼此吸引的力,其大小与两个物体质量的乘积成正比,而与两个物体间距离的平方成反比。

拉普拉斯认为:我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一时刻所有的力和所有物体的运动状态,那么未来就会像过去一样出现在他的面前。这种认为牛顿力学强大到足以决定未来的观点,被称为决定论,在20世纪以前一直是学术界的主流观点。

到了20世纪以后,科学家们发现,牛顿力学其实只适用于我们日常生活的宏观世界,放到尺度特别小的微观世界就行不通了。

最早从科学上阐述原子概念的人,是著名的奥地利物理学家玻耳兹曼。原子的尺寸非常小,只有1米的100亿分之一。
世界上的物质都是由原子构成的。除了原子外,还有一种常见的东西,那就是光。科学家早在19世纪就已经发现,光其实是一种以光速传播的波。
波也有能量:其频率越高,或者说波长越短,波的能量越高。

在1900年,我们前面提到的普朗克有了一个惊人的发现:物体热辐射所发出的光,其能量并不连续,而是一份份的,大小等于光的频率乘以一个很小的常数,叫普朗克常数。我们所说的“量子化”,其实就是指这种物理量本身不连续、总是一份份分布的特性。

1905年,大物理学家爱因斯坦在人类理解量子世界的道路上又向前迈进了一步。他指出,光其实也是一种粒子,叫作光子。他在一年之内做出了三项震惊世界的重大发现,分别是狭义相对论、布朗运动和光电效应。由于爱因斯坦的神奇表现,后来人们把1905年称为“爱因斯坦奇迹年”。在爱因斯坦的三大发现中,光电效应是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步,爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

著名的丹麦物理学家玻尔指出所有微观世界中的粒子,包括原子、原子核、电子及光子,全都是量子的,而且它们不满足牛顿力学的规律。
他们满足不确定性原理,这是由德国物理学家海森堡在1927年发现的。他是1932年的诺贝尔物理学奖获得者。

海森堡发现:在微观世界里,你根本无法同时测出物体的位置和动量。你要想精确地测出它的位置,那它的动量就一定测不准;反过来,你要想精确地测出它的动量,那它的位置就一定测不准。用波长比较长的光,能测准微观粒子的动量,却测不准它的位置;而用波长比较短的光,能测准微观粒子的位置,却测不准它的动量。

量子这个概念是普朗克引进的,按照他的理解,量子就是光里面的那些能量,一份一份的能量。后来,爱因斯坦发现,这一份一份的量子其实就是光子。现在量子的含义则更加复杂,不再是一份一份的能量,所有跟量子力学有关的东西都可能被叫作量子。

人是由原子组成的,不是由量子组成的。但原子是遵从量子力学的,量子本身不是一个物体,量子只是一个说法,它本来是光里面的一份一份的能量。后来量子变成一个概念,所有遵从量子力学的东西都被叫作量子了。

物质为何能保持稳定

第一个发现物体内部很空的人叫卢瑟福,是英国剑桥大学的一位物理学家,1908年获得了诺贝尔化学奖。
基于卢瑟福的实验结果,玻尔提出了著名的氢原子模型。氢原子中心有一个原子核,原子核外还有一个电子。最关键的是,电子只能在一些特定的轨道上运动。

第二个推动问题解决的人是德国物理学家海森堡。
原子中的电子,其实并不在一个个独立的轨道上运动。换句话说,电子的位置是不确定的,任何时刻都会同时出现在很多地方。只有当我们去看的时候,才能知道电子具体出现在哪里;如果不去看,电子就会同时待在很多地方。听起来很奇妙,对吧?这就是量子力学的神奇之处。

虽然海森堡的理论让相距甚远的原子可以撞到一起,但无法保证它们相撞后能互相弹开。所以,物质稳定性问题依然没有

第三个解决问题的人出现了,他就是海森堡的师兄,奥地利物理学家泡利。
原子是由一对对“舞伴”组成的,他们不喜欢其他的“舞伴”随便靠近。正是由于这个原因,两个原子势必要保持一定的距离,而不会碰撞到一起。

对泡利不相容原理做出进一步贡献的人叫费米,是一位意大利的物理学家。他认为所有的电子都长得一模一样。两个一模一样的女生可以在两朵不同的云彩里和两个男生跳舞,但是不允许这两个女生在同一朵云彩里和一个男生跳舞。

戴森用泡利不相容原理证明了原子核一定会与电子配成一对,从而形成原子。这就彻底解决了物质为什么不会塌陷的问题。

不同的原子之间也可以互相分享电子和原子核。这种情况下,不同的原子间会产生一种吸引力,这就是所谓的化学键。正是由于化学键的吸引力,物质才不会四处飞散,更不会突然爆炸了。

量子力学有什么用

1.量子力学的第一个应用是激光。
原子世界也遵循:规律。你要把电子送上更高的轨道,就需要给它更多的能量。换句话说,位于较高轨道上的电子,本身也具有较高的能量。

爱因斯坦在1917年就建立了激光的理论。但一直等到30多年后,也就是20世纪50年代初,才有一个叫汤斯的人把激光发明出来。

2.量子力学的第二个应用是半导体。
利用半导体的特性,可以做出一些很有用的电子元件。其中最重要的是二极管和晶体管。二极管有一个非常特殊的性质:在一个方向上给它加上电压,就会产生电流;而在相反方向上给它加上电压,却不会有电流产生。

原子中有电子,在一定条件下,电子会摆脱原子核的束缚,在某种材料中自由运动,这就形成了电流。
LED(发光二极管的简称):LED的发明者——三个日本人2014年刚获得诺贝尔物理学奖。LED灯就是用发光二极管做出来的。这是一种特殊的、能够发光的二极管。好处:
1. 它的发光效率非常高,比过去的白炽灯要高很多,这使它变得非常节能。
2. 它的使用寿命很长,比白炽灯的寿命要长十倍以上。这些优点让人们普遍相信,LED将成为未来最主流的光源。

有一种电子元件跟前面的二极管不同。二极管有两个接口,而这种元件有三个接口。所以人们就把这种电子元件称为三极管,也叫晶体管。晶体管可以放大电流,同时也可以充当开关。它是由贝尔实验室的三位物理学家在1947年发明的。他们也因此获得了诺贝尔物理学奖。

从理论上来说,人类可以制造出一台量子传输机。

量子计算机和人类大脑

二极管不但能用来存储数据,还可以帮助我们进行数学运算。
二极管有一个“关”的状态和一个“开”的状态。用“关”来代表0,用“开”来代表1,这样就可以在计算机中表示二进制的数字了。

人类历史上的第一台通用计算机,叫ENIAC,是1946年造出来的。它体积巨大,长约30米,宽6米,高2.4米。它里面有17468根真空管,7200根二极管,1500个中转器,70000个电阻器,10000个电容器,6000多个开关,总重量31吨。这台计算机每秒钟可以做5000次加法或400次乘法,在当时已经是世界上最先进的计算工具了。它的耗电量很大,每小时耗电150千瓦。相当于75台挂式空调一小时的总耗电量。它的总造价高达48万美元,这在当时可以买500多公斤的黄金。

计算机历史:
第一代计算机叫电子管计算机,因为是用电子管做出来的。1946年至1957年是电子管计算机的时代。这种计算机又大又笨重,运算速度也很慢,而且造价还特别贵。
第二代计算机叫晶体管计算机。我们在上一讲里讲过,晶体管是贝尔实验室的三位物理学家发明的。晶体管计算机的时代是1958年至1964年。与第一代计算机相比,这种计算机的运算速度有了大幅的提升,其制造成本也大大降低。
第三代计算机是用中小规模的集成电路做出来的。大家应该还记得,集成电路是硅谷的“叛逆八人帮”做出来的。1965年至1970年是这种电脑的时代,
第四代计算机是用大规模和超大规模集成电路做出来的。这种电脑从1971年以后开始普及。我在20世纪80年代中期出国的时候,用的就是这种电脑。它已经不再读打孔纸带,而是读磁盘了。

量子计算机:量子计算机的提出者、著名物理学家费曼。

一个量子计算机中的元器件,也可以既处于开的状态,同时又处于关的状态。比如,它可能50%是开的,50%是关的;也可能30%是开的,70%是关的;还可能45.5%是开的,54.5%是关的。总之,最后加起来总共是100%。这种奇妙的状态很像是著名的“薛定谔的猫”。

薛定谔是量子力学的奠基人之一。他发现了量子力学中最核心的方程,也就是所谓的薛定谔方程,从而获得了1933年的诺贝尔物理学奖。正是通过薛定谔方程,物理学家们发现,在量子世界中,粒子可以同时存在于很多地方。我们说“薛定谔的猫”处于50%活着和50%死掉叠加的状态,其根源就在这里。这被称为量子力学的哥本哈根解释。

一个经典开关,它能存储的数字只有0或1,存了一个就不能再存另一个;也就是说,一个经典开关一次只能表示一个数字。而一个量子开关,它有50%的几率存储0,还有50%的几率存储1,存了一个后还能再存另一个;换言之,一个量子开关一次就可以表示0和1这两个数字。如果是两个经典开关,一次还是只能表示一个数字;但如果是两个量子开关,一次就能表示00、01、10、11这4个数字。依此类推,随着开关数的增加,经典系统一次表示的数字依然是一个,但量子系统一次表示的数字将会以指数的方式快速增加。举个例子,当量子开关数达到20的时候,它一次能表示的数字就会超过100万。这就是为什么量子计算机的计算能力会如此强大。

人脑的最基本单元,也就是它的开关,是神经元。
人脑中大概有860亿个神经元。神经元是可以放电的。而大量神经元一起放电时就会向外辐射脑电波。

人类大脑才是这个世界上最大的奥秘。

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