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你到底是谁?你,其实只是波动!

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在大众的认知里,宇宙万物似乎都遵循着经典物理学的规律,一切运动都能被精准描述,仿佛这个世界是一部按部就班运转的精密机器。然而,量子力学的诞生,如同在平静湖面投入巨石,打破了这一传统认知的平衡。

回溯历史,一百多年前的物理学家们同样秉持着经典物理学的观点,认为宇宙的运行遵循着确定的规律,时间、空间和能量的传递都是连续的。但当他们面对物理学天空中飘着的那朵 “乌云” 时,传统观念开始动摇。这朵 “乌云”,便是后来引发物理学革命的关键 —— 量子力学的萌芽。

在探讨量子力学之前,让我们先来看看著名的芝诺悖论。

假设你和乌龟赛跑,你的速度是乌龟的 10 倍,乌龟在你前方 100 米处起跑。当你跑 100 米到达乌龟的出发点时,乌龟跑了 10 米;你再跑 10 米,乌龟又跑了 1 米;你跑 1 米,乌龟跑 0.1 米…… 按照这样的逻辑,你永远只能追到乌龟之前到达的位置,乌龟似乎永远领先你。但在现实中,我们都知道这是不可能的,你很快就能追上并超越乌龟。

芝诺悖论成立的关键前提,是假设时间和空间是连续的,这意味着能量传递也必须是连续的。在我们的日常认知中,连续性无处不在,比如一天中温度从早上低到中午高,是逐渐上升的,不会从低温瞬间跳到高温。这种连续性不仅符合生活经验,也是经典物理学的基础,微积分便是在此基础上建立起来的。

然而,量子力学的出现彻底打破了这种连续性。

这一变革始于普朗克对黑体辐射的研究,他提出了普朗克黑体辐射公式。简单来说,黑体辐射表明能量的传递并非连续不断,而是一份一份的,存在最小的能量传递单元 ——“能量子”,简称 “量子”。

能量的传递必须是量子的整数倍,不能以半个量子的能量进行传递。用量子的不连续性来解释芝诺悖论,就变得简单易懂了。因为时间和空间不再是连续可无限分割的,悖论也就自然消失了。

量子概念的提出,如同一颗投入物理学界的重磅炸弹,引发了一场风暴。

这场风暴首先从人们对原子结构的认知开始。早期,卢瑟福提出原子模型,认为电子像地球围绕太阳一样,在原子核外做圆周运动。

但这个模型存在致命缺陷:根据麦克斯韦电磁理论,带正电的原子核与带负电的电子在运动过程中会发射电磁辐射,电子会逐渐失去能量,最终坠落到原子核上。计算显示,整个坠落过程甚至不到一秒钟,这显然与现实不符。

量子力学的出现,为这一问题提供了完美的解释。由于能量传递的不连续性,电子释放能量必须是特定的定量,只能在固定的轨道上运行。

当电子位于距离原子核最近的轨道时,能量最低且最稳定,这被称为基态。当电子吸收特定能量后,会跃迁到更远的轨道,处于激发态。电子在基态和激发态之间随机跃迁,呈现出电子云的特征,这一过程被称为 “电子跃迁”。

随着量子力学的深入发展,物理学家德布罗意提出了 “物质波” 概念,认为 “万物皆波”,并给出波动方程:λ=h/p。其中,λ 是波长,h 是普朗克常数,p 是物体的动量。

从公式可以看出,h 是固定常数,p 越大,波长 λ 越小。这一公式表明,万物都具有粒子性和波动性。虽然你我的波长极其微小,几乎无法表现出波的特性,最终只呈现出粒子特性,但这一理论依然颠覆了我们对物质本质的传统认知。

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