袁岚峰5月前
薛定谔猫的生与死,以及它有什么用 有一个科普杂志叫做《世界科学》,它创刊于1978年,跟我同岁,由上海市科学学研究所主办。是的,“科学学”是一个词,它的英文是science of science,——这个名字简直太牛了;或者叫做science studies,——这个名字听起来就平常多了。关于科学学和它的创始人贝尔纳(John Desmond Bernal,1901 - 1971),我刚好知道一些,所以跟科学学研究所的人相谈甚欢。 关于这些,以后再跟大家详谈。这次要跟大家说的是,科学学研究所请我为2025年第6期的《世界科学》写一个卷首语(),因为这一期的两篇主题文章都是关于量子研究前沿的。下面我就来向大家介绍一下,并推荐大家关注《世界科学》。 在《世界科学》杂志2025年第6期中,有两篇主题文章介绍了量子领域的两个重要研究方向,一篇叫《量子世界究竟在哪里结束,具体的现实从哪里开始?》,一篇叫《全尺寸量子计算机究竟有什么用?》。一眼就可以看出,前者主要谈的是理论,后者主要谈的是应用。然而更仔细的观察,可以发现两者谈的都是薛定谔的猫:前者谈的是薛定谔猫的生死,后者谈的是薛定谔猫的用处。 薛定谔的猫,可能是最为公众熟知的量子力学概念之一,——可能还可以把“之一”去掉。薛定谔(Erwin Schrödinger,1887 - 1961)是量子力学的创始人之一(这个“之一”肯定不能去掉),他在1935年提出了这个思想实验:把一只猫、一个放射性原子和一瓶毒药一起放在一个房间里,在一定的时间内,这个放射性原子有一半的概率衰变,一半的概率不衰变。如果放射性原子衰变了,毒药就释放出来,将猫毒死(动物保护协会发来抗议!)。如果不衰变,猫就活着。 那么在你没有打开房间观察的时候,你该怎么描述猫的状态?你只能说,猫处在一半死一半活的叠加态。但这样的状态我们从未观察到,甚至都难以想象这样的状态。因此,薛定谔的猫对量子力学是个严重的挑战,至少对它的实在性或完备性是个严重的挑战。
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袁岚峰2月前
量子为什么会成为一种理论? 《科学世界》是中国科学院科学出版社主办的科普杂志,在学术界和社会上声誉卓著。他们邀请我开了一个专栏,从2025年1月开始。下面,我就来介绍一下我在《科学世界》2025年3月刊的文章《量子为什么会成为一种理论?》,并推荐大家关注《科学世界》。 上次我们解释了“量子”(quantum)这个词的意义,它并不是一种粒子(所以不要问它跟电子、质子、中子相比是大是小),而是表示一种现象,即不连续变化。如果一个事物可取的值是不连续的,即台阶式的、离散的,我们就说它是量子化的(quantized),把它的最小单元称为量子。如果你了解这一点,你就超过了90%的人。 实际上,量子化的现象在日常生活中就有很多,例如上台阶、清点人数。但使量子这个词出名的,是有个物理学理论,叫做量子力学(quantum mechanics),它是描述微观世界的本质理论。这就不是日常生活中熟悉的了。那么,量子为什么会成为一种理论呢? 这是因为人们发现,量子化是微观世界的一个本质特征。也就是说,微观世界很多现象是不连续变化的。如果你了解这一点,你就超过了99%的人。 最早发现的这样的例子,是原子光谱(atomic spectra),包括原子发出的光(发射光谱)和外界的光经过原子时被吸收的光(吸收光谱)。前者是亮线,后者是暗线,两者位于同样的频率。原子光谱最明显的特征,就是它是个离散谱,即只有某些分立的频率。这强烈地暗示,原子中的某些现象是量子化的。 一个典型的例子,是氢原子光谱在可见光波段的四条线,它们的波长分别是410.1纳米、434.0纳米、486.1纳米和656.3纳米(纳米等于10-9米)。为什么会是这几个数值?你能从这个数列中看出什么规律? 这绝不是一眼能看出来的。许多人对此冥思苦想,从各种角度去建构,但都无法得到简单的公式。最终,打破这个哑谜的居然是一位瑞士的中学数学教师巴耳末(Johann Jakob Balmer,1825 - 1898)。#知识前沿派对 #量子 #量子化 #量子力学 #原子光谱
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袁岚峰1周前
世界上为什么会存在固体? | 袁岚峰 向大家推荐一家著名的科普杂志,它叫做《科学世界》,由中国科学院科学出版社主办,制作十分精美,在学术界声誉卓著。他们邀我开了一个专栏,从2025年1月开始。下面,我就来介绍一下我在《科学世界》2025年5月刊的文章,标题是《世界上为什么会存在固体?》。 乍看起来,这似乎是个不知如何下手的问题。但实际上,对这个问题已经有了好几个层面的回答。而所有这些回答,都是基于量子力学。 第一个层面是,固体为什么会有硬度?也就是说,原子之间为什么会有排斥力?或者说,原子为什么不会重叠到一块去?例如你用手拍桌子,你会感到疼,而不会发生手穿过桌子这样的事。 有人可能会说,这是因为原子中有电子,而电子带负电,所以不同原子的电子之间会互相排斥,把它们推开。这是一个符合直觉的答案。但有了量子力学之后,人们就发现,电子之间的经典排斥其实只是一个比较次要的原因。真正主要的原因,是泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)。 这个原理说的是,两个费米子不能处于相同的状态。什么叫费米子?它是微观粒子的一大种类。所有的微观粒子都属于两类,费米子(fermion)和玻色子(boson)。费米(Enrico Fermi,1901 - 1954)和玻色(Satyendra Nath Bose,1894 - 1974)分别是意大利和印度物理学家。 费米子遵循泡利不相容原理,而玻色子不受这个原理的束缚。也就是说,费米子不能有两个粒子处于同样的状态,但玻色子可以有任意多个粒子处于同样的状态。电子、质子、中子都属于费米子。作为对照,我们上一期中提到的光子(photon)属于玻色子。 因此,当我们力图把两个原子重叠到一块的时候,有些电子就会被强迫处于同一个状态。它们非常不愿意这样,于是会产生一个强大的排斥,将它们推开。实际上,随着距离的缩短,这种泡利排斥是指数上升的。这个速度比同号电荷之间的电磁排斥快得多,电磁排斥只是反比于距离的平方。这就是为什么,泡利不相容原理是原子不能重叠到一起的主要原因。 了解到这个层面,你的知识水平已经超过99%的人了。然而99.9%的人都没有想到下一个层面的问题:如果原子之间只有排斥力,没有吸引力,那么它们还能不能形成固体?#知识前沿派对 #量子力学 #固体 #泡利不相容原理 #费米子
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