上期视频可以说是干货满满。熊孩子抢走了量子枪之后,接连遇到了打不动的高尔夫球、抓不到的超速车辆、以及神秘的穿墙事件,最终像《蚁人2》一样被困在了量子世界中……今天我们就来轻松一下,看一看那些物理学大牛在冷冰冰的形象背后,隐藏着哪些出人意料的生活趣事。足球小将,玻尔。还记得视频中那个高尔夫球吧?它只能落在特定的距离上,而不会落到中间的位置。这就是放大版的电子轨道,最早由玻尔发现。
用李淼老师的比喻来说就是,原子核和电子之间的轨道跟“太阳系”很像。处于原子中心的是原子核,类似太阳;一些电子绕着原子核转,类似行星。不过,这些电子行星和太阳系中的行星不一样,它们的轨道必须满足所谓的“量子化”。也就是说,它们只有固定的几个轨道,而且只能在这几个轨道上奔跑,出轨是完全不存在的,就像视频中的高尔夫球一样。正是由于这个工作成果,玻尔获得了1922年的诺贝尔物理学奖。
当然玻尔的理论和真实情况还不太一样,这个后边再说。我们先看看玻尔故事的后续。在《最完美的毁尸灭迹》中我们提到,玻尔在工作学习之余还热爱踢足球,曾担任AB哥本哈根(当时丹麦最好的球队之一)的替补门将。当时我们没讲完,他守门技术其实还挺不错的,为什么只是个替补门将呢?AB哥本哈根是一支很强的球队,多次获得丹麦全国比赛的冠军。
所以一般情况下,都是他们去围攻对手的大门,己方的守门员就在另一半区加油助威,比较闲。为了打发这些无聊的时间,玻尔养成了一个“坏”习惯,就是在空闲的时候找几个物理题计算。有一次,AB哥本哈根和一支德国球队比赛,玻尔又习惯性地算上物理题了。结果对方是德国啊!你想想,老牌的足球大国了。所以德国球员并没有一直挨打,而是找准机会发动了一次反击。
然后德国球员看到对方守门员,也就是玻尔,正在发呆,就果断选择远射吊门。球很轻松就进了。玻尔的教练看到这一幕之后勃然大怒。从此以后,玻尔就被贬为替补守门员了。快乐官二代,德布罗意。刚才我们说玻尔的理论和真实情况不太一样。因为在玻尔的理论中,电子还是很具象化的一个东西,跟台球没什么区别,只不过很小很小罢了。很多年后物理学家们才发现,电子的很多行为并不像台球。
打台球的时候,我们能凭借经验和技巧预估台球走向,基本上八九不离十,差的只是那点儿细微的距离。不过电子就不一样了,它的走向根本没法预测。简单来讲,我们根本看不见电子。究其原因,就是电子同时拥有两种属性:粒子性和波动性。前者像台球,很具体很清晰;后者像阳光,看不见摸不着。后来德布罗意天才般地猜测,任何物质都具有波动性。比如一个石头吧,它每时每刻都在像水波一样振动。
你看不出来是因为,首先,它内部的各种粒子会互相干扰,削弱整体的振动效果;其次,它振动的频率非常之高,我们根本感觉不出来。就好像海豚说话的频率超出了人类听觉系统的上限一样。话说回来,德布罗意不仅仅是个天才,他还是个官二代。德布罗意出生于法国的一个贵族家庭,后来继承他哥哥的爵位成为公爵(Duc de Broglie)。公爵是什么概念?
当时法国的爵位从高到低基本上是这么排的:公、侯、伯、子、男,下边还有勋爵和骑士啥的。没错,这个物理学天才拥有法国最高爵位……不仅如此。德布罗意家族自17世纪以来在法国军队、政治、外交方面都有出色的表现。他的祖父是法国著名政治家和国务活动家,1871年当选为法国国民议会下院议员,同年担任法国驻英国大使,后来还担任过法国总理和外交部长。
啧啧……本来德布罗意是准备继承家业,当个外交家的,甚至还拿了一个历史学位。可阴差阳错之下,他通过从事物理实验的哥哥认识了当时的物理学泰斗朗之万。正是在做朗之万的学生的时候,德布罗意想到了物质波。于是德布罗意就以物质波为研究内容写出了博士论文。啧啧……为什么我一边打字一边流下了艳羡的泪水……数学鬼才,海森堡。不出所料,海森堡也是个“天才”。面对玻尔提出的轨道量子化,海森堡也觉得不太对劲。
因为他发现,玻尔提出的那几个轨道其实是完全不可能观测的,必须用另一套东西取代玻尔轨道。于是他建立了“矩阵力学”。为什么叫这么一个奇怪的名字呢?因为,电子从一个轨道跳到另一个轨道,很像我们常常看到的鄙视链,可以用一个表格来表示。举例来说,看看主机阵营之间的鄙视链。海森堡当时就制出这么一个表,在数学中就是矩阵。所以海森堡发现的这种全新的力学模式自然就被称为“矩阵力学”了。
海森堡凭借着自己的这套方程成功解释了电子到底是怎么在不同“轨道”之间来回穿梭的。后来人们觉得这么叫太数学化,就改称为量子力学。说起来,我们之前提到,海森堡在著名物理学家中是一个异类。因为他数学成绩非常差,答辩时也因为基础知识不到位险些没毕业。他之所以能够成功,很大程度上要归功于他的……不,不是努力,而是天分。
唉这个世界真的是好残酷啊o(╥﹏╥)o写不下去了呢,被这些天才的故事秀到了呢,自闭了呢,不想更新了呢。