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原来你是这样的物理学(二)“龟速更”

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来自iPhone客户端1楼2017-04-27 01:20
    此帖为《原来你是这样的物理学》系列帖的第二帖。系列发起者是利利熊。我开这帖可是得到正规授权的。嘿嘿!
    希望镇楼图没把大伙吓着,此帖追求一种让业余爱好者能读懂为目标的写作手法。当然这少不了花费一些耐心与包容进行阅读。
    由于此帖倾向于消遣用,所以只是我个人分享给大家一些自觉有趣的,和没规划性,比较随意的关于物理方方面面的内容。


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    来自iPhone客户端2楼2017-04-27 01:21
      物理学是我众多兴趣爱好的其中之一,缘由是因为小时候直觉这个世界的一切都是由一些很小的基本单位物质所组成的。那么只要去了解这些物质就像走了一条直径去了解世界一样,不需要去理解太多别的科学知识,事实上确实有许多科学发展带来的成果也支持我这样的直觉。
      长大后通过接触物理学,有时也无可避免地接触其他科学已经改变了天真的初衷。这个兴趣爱好也止步于看看基础物理,然后在脑袋中凭空地思考一下而已。这也确实是种享受的方式。
      所谓的基础物理就是这个宇宙中的一些规则。事实上我们从来都没掌握这个宇宙中的所有规则,我们知道的甚至不是宇宙中的规则,我们只是一直在“猜”这些规则是不是这样。就像你看别人下棋,而你不懂怎么玩的,你提问别人也不会告诉你,你只能静静地看别人下,然后自己猜想是不是有某种规则一样。物理学就是这样的一种科学。
      目前本帖还没进入干货阶段,只是给大家预告一下,敬请期待。


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      来自iPhone客户端4楼2017-04-27 01:22
        赶紧的,你的帖子我还是要收藏下的


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        来自iPhone客户端5楼2017-04-27 01:35
          说一下这个镇楼图吧,它叫“主方程”这是个简称,全名应该叫做“标准模型的主方程”。我用了一些时间考虑此帖应该用一张怎样的镇楼图,最后决定了用这个“主方程”镇楼。因为它在一定程度上反映了当今的物理学发展到了一个怎样的水平。


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          来自iPhone客户端6楼2017-04-27 02:00
            主方程并不是总是这样,科学家是会根据物理学的实际发展情况去对它进行修改,甚至会在往后的某天把它彻底地抛弃掉。这是科学的一贯作风,错了就要修改,没价值的就要抛弃。


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            来自iPhone客户端7楼2017-04-27 02:02
              呵呵,我并没打算详细讲解这个主方程,目前来说我还没找到一个很好的方法让每一个看到它的人都清楚它其中的含义。不过大概还是能提一提:
              方程里包括了目前人类发现宇宙中所存在的所有基本粒子以及可能存在的基本粒子。分别是6种夸克、3种带电轻子和3种中微子,这些粒子之外又各自有一种反粒子,就是说有24种基本粒子。用Ψ这个符号表示。而除了这些基本粒子之外还有一种理论成熟但是一直都没找到它存在证据的粒子用Φ符号表示。它叫希格斯粒子,哈哈,它还有另一个有趣的名字“上帝粒子”。
              主方程的内容其实就是在说这些粒子之间是怎样相互作用的。而值得我们注意的是,如今的主方程为未能发现的希格斯粒子用了两行去说明它与其他粒子的相互作用,可见这是一个惊天地的理论,一旦证实希格斯粒子存在,可能我们过往许多的知识都要被修改,甚至被抛弃掉。


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              来自iPhone客户端8楼2017-04-27 02:02
                讲讲这个物理学为何像是一条了解世界的直径吧。物理学与众多门科学发展至今,显示出一些“共性”这让我们感到安心,说明各门科学都向着一个接近真相的方向发展。同时我们应该期待它们“有所不同”因为只有发现这些不同科学才可以进步,让我们更接近“真相”。
                如果说物理学有什么兄弟科学,那么应当是化学。在许多意义上两门科学所追求的方向性是一致的。由于物理学得到许多突破性的卓越成就,化学上的一些新进展也慢慢呈现出它更倾向于物理理论所预测的结果。
                例如我们所知道的元素表,化学把每种元素都定义出一个名字、化学式。这事实上是一件非常麻烦的事情,想想学生时代要记住的哪个元素表,这可消耗了你不少的精力。门捷列夫大叔太早降世了吧!如果他老人家迟些出生那么就完全没必要发明哪个元素周期表吧。因为在哪之后物理学对物质的一个假说被证实了,那就是物质由原子所组成。而化学元素分子则是由原子所组成的。物理学发现不同元素事实上只是由不同质子(带正电荷)与电子(带负电荷)对数的原子所组成。例如“元素6”我们可以说它的原子有6个电子,元素表里它就是碳。那么元素名称完全可以用简单的1、2、3、4、5……这样的编号去代替。但由于此发现有些为时已晚,元素周期表已经被世人熟知,还使用习惯了。
                由于化学发展越来越趋向于验证物理理论,所以如今在化学分支学科中多了一门被称为“物理化学”的科目。它比较倾向于无机化学方面的研究。就是哪些远离生命体的化学研究,但是方法和记号多采用物理学的成果。


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                来自iPhone客户端9楼2017-04-27 13:26
                  看到这里或许你会得到一个错觉,那就是与有机化学关系密切的生物学已经和物理学分道扬镳了。其实没有这回事,举出一些陈旧的例子:
                  生物学家用了物理理论去解释神经系统。他们说神经是细小的管道,管道壁是一层“膜”这膜上铺满了正离子,壁内吸入了负离子。(离子就是原子要么多了些电子,就是负离子,要么少了些电子,就是正离子)“受刺激”事实上只是离子的电压受到增强或减弱,然后一个接着一个穿透性的在离子中传递这种电压变化直至大脑得到这个信息。相反地,大脑也是通过这样的方式发出脉冲信号刺激肌肉让生物得以活动。
                  还有,生物学利用量子论研究酶这种物质,在生物学里酶如何支配重要的三羧酸循环。其中三羧酸循环是如何释放能量和储存能量的可逆现象,这些解释都是物理化的。
                  我们的霍金同志这样说过“我们不会用物理知识去预测生物的下一步举动,只是因为这样计算起来超级麻烦而已。”


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                  来自iPhone客户端11楼2017-04-27 14:23
                    至于物理学与天文学的羁绊就不必细说了。对于历史悠久的天文学来说,物理学乃是个初出茅庐的小伙子。物理学受到太多太多关于天文学的启发了,在物理学诞生之初许多定律和规则都是沿用天文学所得的成果。
                    关于物理学与其他科学的联系当然不止以上提及的那些,但是我们已经谈得够多的了,也显示出各种科学正朝着“大统一”的方向行进,而目前物理学处于一个领头羊的地位。这是个看起来相当乐观的情况,但是我们不能总报喜不报忧。虽然我们的科学发展已经有很多辉煌的成就,但仍然是很不完美的。下面就讲一个不可忽视的缺陷。
                    有一门科学叫“地质学”就这个科目名字看起来似乎不会太高深难懂。但偏偏它是个非常棘手的科目,如果你知道它另一个名字或许你会对它另眼相看“地球科学”。科目中包含着一个棘手的,目前科学上未能提供较好理论描述的现象。不仅仅是物理学上对描述此现象没有好理论,而是所有科学里都没有。这个现象就是地质学里的湍流现象。“气象学”也属于地质学,这里所说的湍流就例如气象学中的空气运动现象那样,目前没有太好的方法去预测。
                    所以大家得明白天气预报出错了哪是最正常不过的了。
                    湍流现象在苍穹之下比比皆是,河流,飓风,泥石流,火山爆发……等等存在湍流现象。试想我们要如何描述瀑布?从高空落下的水我们是如何计算它是在哪一点从平整的流水变成一滴滴水珠的?
                    如果从这个角度去看,我们的科学水平也太不值一提了。因为包括物理学在内也不能准确描述地球上最为寻常,普遍的现象。这样看起来物理学从古到今的大部分实验验证得到的都不会是绝对与理论准确相符的数据。许多物理理论的提出者都尽量在理论中规避湍流问题。我们的物理学理论突破了天际,却对天际之内毫无头绪……
                    相信这些问题在日后的科学发展中会得到突破。
                    以上的篇幅就是为大家交个底。我们要讲的物理学虽然有许多傲人的成果,多到一个人不可能完全掌握所有关于物理学的知识。但是也不见得它已经成长到接近完美的地步,对于许多领域它目前还是无能为力的。


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                    来自iPhone客户端12楼2017-04-28 00:52
                      你说爱我等于要把我捕捉


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                      来自Android客户端13楼2017-04-28 03:29
                        熟悉我的小伙伴们都知道,过去我曾讲过太多关于能量、时间这样的物理量。为了这个帖子能给大家一些“新鲜感”我决定接下来将讲一个在宇宙吧中少有人讨论的物理量,它容易被人们忽视,觉得它理所当然,没太多被探讨的价值。对它有一定认识的人也不太愿意提及它,因为它看似很实在,其实很虚幻。
                        之前提及到一个叫希格斯粒子的东西,讲到如果我们发现足够证明它存在的证据那么物理学的许多理论都必须作出修改,甚至有许多经典会遭遗弃。
                        就像牛顿建立起的“物理学王国”随着相对论被证明而土崩瓦解一样。那么相对论已经否定了牛顿一切的理论了吗?我看是未必。
                        我们接下来要探讨的哪个物理量是——“质量”
                        当我问起“什么是质量?”的时候,大家是不是就会欲言又止呢?这个问题没提出来大家是不是都觉得自己非常了解“质量”呢?
                        在现实生活中我们测量物体质量的方法大概就是“称重”。通常我们通过一些测重仪器显示的读数而得知物体质量,例如我们把一袋白米放在测重仪器上,仪器显示读数1000g。那么我们就会说那袋白米的质量是1000g。这似乎没什么毛病。但是我想告诉大家的是,测重的仪器只有放在接近地球表面的位置这个方法才是可行的。这样看上去这个方法还挺局限的。
                        试想你的测重仪器放在月球表面,那么1000g质量的白米放在测重仪器上,仪器的读数还是显示1000g吗?大概只会显示120g左右。所以我们日常用的测重仪器是求重量的,而不是质量。
                        补充一下:
                        如果你有两袋这样的白米,在地球上称它们一样重,在月球上称它们也一样重。只是测重仪器的读数(重量与质量之间的交换率)变了。所以我们还是能说重量与质量成正比关系的。
                        质量事实上是牛顿为数不多没被Ban掉的理论。这个理论就藏在著名的牛顿第二定律里:
                        F=ma
                        当你把F=ma写成m=F/a时这个代表质量的m是什么就很直观了。当物体受到一个固定的外力合力时,物体的质量与物体受力后的加速度成反比关系。这也是唯一定义质量的公式。
                        包括爱因斯坦写下的E=mc^2中的m也是这个m
                        “质量”经过相对论的检验存活下来了,但是很快我们又得为它的将来所担忧起来。
                        从开篇的镇楼图到现在,我们一直在提及这个叫“希格斯粒子”的东西,那么这个希格斯粒子到底是个什么东西?
                        1964年出现了一批空前大胆的论文。有恩格勒特写的、布劳特写的、古拉尔尼克写的、哈根写的、克博写的以及希格斯写的。这些人工作地点各不相同,但是写出来的东西却联系紧密,最后希格斯写的那些论文在这一批论文中起到了主导作用,捡了个大便宜就由希格斯来整理这批论文,看看能弄出点什么来。
                        结果诞生了一个叫希格斯机制的理论。这是个物理理论,但是这个理论中却没有“质量”这回事。
                        希格斯粒子就是这个希格斯机制量子化的结果。打个比方:
                        我们假设把我们赖以生存的大气层内空间比作不存在希格斯粒子,用一个乒乓球比作一个基本粒子,拴上一条绳子,然后拉动乒乓球,乒乓球很轻我们就当这个“很轻”是没有质量的状态。接下来我们把这个栓有绳子的乒乓球塞入麦芽糖之中,现在这些麦芽糖(类似糖浆的东西)我们就比作希格斯粒子。然后我们再拉动这个乒乓球,乒乓球就变得需要更大的力才能拉动。这个理论就是说乒乓球本来没有质量,是麦芽糖赋予乒乓球有质量的假象。
                        由于我不确定大家是不是都知道什么是麦芽糖,所以下面还有一个类比的模拟情况:
                        我们把觉得有质量的粒子比作大明星,而记者、狗仔队、狂热粉丝是希格斯粒子,而无质量粒子是普通人,瓜都不吃的群众。那么当大明星出现的时候这些记者、狗仔、铁粉就会一拥而上围住大明星;而大明星就会错步难行,这样有质量的假象就出来了,大明星就好像特别有质量。而不吃瓜群众爱到哪就到哪,没人理你。确实长久以来我们也确实忽略了那些无质量粒子,有一些证据它们确实存在,而我们很难找到它们,并且我们还不知道这类粒子的种类有多少。
                        这就是说如果某天我们真找到了希格斯粒子,那么质量则变得不那么实在了。在一套全新的理论下的“类似质量的物理量”需要用新方法去估算,那么物理学现今这座大厦将遭到拆卸重建。


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                        来自iPhone客户端14楼2017-04-29 03:14
                          这个系列帖以揭露一些反常识,反直觉的物理现象自居。作为系列帖的第二帖当然也会秉承这个有趣的习惯。
                          我们既然谈了质量,还谈了重量,不妨就来一段与这些物理量相关的反常识物理现象。
                          说到质量和重量最为大众所知的无非就是哪个传说中伽利略在比萨斜塔上丢两个大小不一的铁球,而两个铁球同时丢落又同时落地那个铺张,又吸引眼球的实验。
                          哈哈,这个实验确实是个传说。或许文学家把这个实验美化了传颂至今。而这个实验的原型则是出自牛顿的。
                          牛顿把一枚金币和一条羽毛放进一个圆柱形玻璃容器里。然后把容器里的空气抽出,让容器里保持真空状态。然后把这个容器翻来覆去,我们就看到硬币与羽毛的下落速度是一样的。
                          我们今天也把这个实验改造一下看看能不能得到一个“新鲜”的效果:
                          我们先把地球改造一下,我们知道地球大致成一个球状。现在我们让地球撕开来铺平,像古时某些人觉得“天圆地方”哪个效果,有一点不同就是陆地是无限向四面八方延伸的。然后我们交给伽利略一个铁球,而不是两个;另一个铁球我们把它替换掉了,用一把激光枪替换。伽利略就拿着一个铁球和一把激光枪登上了斜塔。
                          我们嘱咐伽利略“你丢铁球下来的同时记得扣扳机发射激光,要让激光导弹平行于地面,知道吗?”伽利略竖起大拇指表示没问题。
                          实验开始,伽利略在同一时间松开了手中的铁球,然后铁球向地面自由落体;也扣了激光枪的扳机发射出一道激光。
                          实验结果,那道激光与铁球同时落地,只是它们击中地面的哪两个点之间的距离非常远。
                          噢!我们看出来了,这个实验还与一个叫“引力”的概念有关。如无意外我们将在稍晚的时候将谈一谈“引力”这个概念。


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                          来自iPhone客户端15楼2017-04-29 11:14
                            好久没有的质量贴


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                            来自WindowsPhone客户端16楼2017-04-29 11:15
                              关于质量,在这里我想再花多一些笔墨去讲一讲。因为它实在是个有趣的存在。如果结合能量与速度而言它并不是一个我们直觉上的不变量。
                              如果想了解一些关于能量和速度方面的概念我希望大家给我另一个帖子一些关注,在那个帖里我们谈到如何解读E=mc^2
                              哪个帖子的前半部分墨迹了牛顿的平生,而在最后的部分则谈了一些关于E=mc^2的内容。下面是哪个帖子的链接:
                              http://tieba.baidu.com/p/4464433450
                              如果你已经对动能,弹性能,质能这样的能量有所了解,并且明白质量与能量等价的概念,那么你是否注意到橡皮筋、老鼠夹、健身器材之类的物体质量上有什么特别之处吗?
                              例如我会说,掰开设置好捕鼠状态的老鼠夹质量大于没设置捕鼠状态的老鼠夹。这就挺违反我们生活中所得的常识。
                              由于掰开后的老鼠夹比起没掰开的老鼠夹具备更多的能量,当老鼠夹触发捕鼠过程时空放测试一下大家就会听到啪的一声,这个声音就是明显的能量转移。老鼠夹储备的能量转移到空气当中激起震荡。
                              我们通过质能等价的概念就可以推测掰开的老鼠夹质量大于没掰开的老鼠夹。
                              也由于质量与重量成正比关系,我们要验证这种推测只需要分别去称量掰开的老鼠夹和没掰开的老鼠夹。不过我估计我们可能需要上万个这样的老鼠夹才能称出测重仪器上细微的读数差别。
                              呵呵!你是不是已经知道了如何让自己在测重仪器上称出更轻体重的方法了?是的,你得称量时摆出电影《泰坦尼克号》女主角路西在船头甲板的经典姿势,那样称量能让你理论上测重仪器的读数看起来最轻。但是我不建议你这样做,因为哪个姿势实在太2了。哈哈。


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                              来自iPhone客户端17楼2017-04-29 14:16


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                                来自iPhone客户端18楼2017-04-29 14:39
                                  此帖有毒!挖坑式地一直在挖自个跳的坑。老实说,关于谈论“Gravity”——引力,我实在是一万个不情愿。这明摆着就是一个宇宙中最为神秘的现象。即使《广义相对论》就躺在离您咫尺之内。
                                  之前我们说过,物理学就像是一直猜这个世界是根据那些规则所演化的。一直以来在引力这个课题里我们只得到过两位天才的猜测是比较靠谱的。一位是——艾萨克·牛顿;另一位是——阿尔伯特·爱因斯坦。
                                  牛顿给我们讲了个大概,给我们说明了引力看起来是个怎么的一个现象。他还留下了一个优雅的方程式供我们计算和预测引力现象:
                                  F=GMm/r^2
                                  这个方程式被我们称作“引力的平方反比率”。这名字起得可真够直观的,方程的内容就是在说两个存在质量的物体之间存在相互吸引的力,这个力会因为两个物体的远离而减弱,例如两个物体之间的距离是r它们相互之间的引力是1;那么当它们的距离变成2r时,它们相互之间的引力将是1/4;距离3r时就是1/9如此类推。
                                  但是牛顿只告诉我们它“看”(测量)起来是这样,但是并没有告诉我们它是出于什么原因要这样。就例如你并不会下象棋,牛顿告诉你马行日。但是并没告诉你这规矩怎么定出来的。
                                  事实上爱因斯坦也不知道这规矩怎么定出来的,但是他猜了如何定制规则的一些可能性。
                                  爱因斯坦将F=GMm/r^2修改成:
                                  Gμv=Rμv-(1/2gμv)R=(8πG/c^4)Tμv
                                  这是融入了时空概念和广义相对论的修改,看上去与F=GMm/r^2已是面目全非了。在这个版本之前爱因斯坦在1915年写下过一个狭义相对论的版本,哪个版本还能看得出是“整过容”。
                                  爱因斯坦猜的规则用文字写出来或许会比较容易理解,但是肯定没有方程能顾及的细节多。大概就是时空由于某种原因被质量所弯曲(事实上这个某种原因他猜不出来,我们也不怪责他,毕竟质量是个什么东西现在我们也不好说)令到划过时空的物质看起来改变了航道。
                                  这就很有意思了,有意思的地方是爱因斯坦在这个理论上用的是牛顿第一定律。但是隐藏得很深,就像一个常识一样众人皆知,没什么必要特意写进方程去说明这个事实。
                                  ∑Fi=0→dv/dt=0
                                  这是牛顿第一定律,是说:所有物体保持匀速直线运动,直至外力令它改变这个状态。
                                  爱因斯坦也觉得所有物体都保持匀速直线运动,如果质量没弯曲时空,那么看似受到“引力”的物体仍然匀速走直线,加速度也是时空弯曲所造成的。时空不是空间,还包括时间,而组成速度的其中一个量就是时间,所以物体有了加速的假象,(所以爱因斯坦的引力场方程中没怎么提速度,μv这些符号是张量)或者说速度本来就是个假象。引力在这个理论里也成了假象。而被质量弯曲的时空中原本的直线变成了一条“测地线”。
                                  我觉得有必要说一说测地线,由于吧内太多有误导可能的测地线图片了,一般就是画了一条线延伸过一个球体旁被弯曲了。这另到许多小伙伴觉得测地线就是只像那条图中所画的线那样。
                                  事实上测地线在一个有质量物体附近有着无限条,并且非常“混乱”。
                                  例如牛顿把手中的苹果向高处一抛,在稍过短暂的时间后苹果又落回牛顿的手中,苹果从离开牛顿手中再回到牛顿手中划过的时空轨迹就是一条测地线。如果没有质量弯曲了时空,那么苹果划过的轨迹将是一条直线。爱因斯坦引力场方程正是想给我们表达这个意思。


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                                  来自iPhone客户端19楼2017-04-30 03:40


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                                    来自iPhone客户端20楼2017-04-30 14:46


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                                      来自Android客户端21楼2017-04-30 20:21
                                        “量子力学”你是否在吧里遇到过介绍这个物理学分支的帖子?利利熊在该系列的“创刊号”也提及过这方面的内容,是由一个叫“双缝干涉”的实验展开的。这是个不错的展开。关于量子力学大家知道多少?是薛定谔哪只猫?还是 托马斯·杨 哪个经典的实验?
                                        或许你们已经看过许多,我想知道有没人希望我说一下这个。有需要请回复。


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                                        来自iPhone客户端24楼2017-05-02 21:41
                                          后排插楼,建议图文并茂,增加阅读性。


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                                          来自Android客户端27楼2017-05-02 23:27
                                            “双缝干涉实验”固然能勾起大部分人对量子力学的兴趣,但是这并不是我们需要量子力学的初衷。
                                            1896年 威廉·伦琴 发现了X射线。同年的几个月后 亨利·贝克勒尔 发现了“铀射线”。
                                            本来亨利是想弄出点X射线来研究研究,他用的放射源是铀化合物,结果他发现铀化合物自发地放出射线能使不透光的裹在厚厚的纸里的底片变黑。(这个年头可能有些年轻人并不知道“底片”是什么,毕竟柯达都倒了,不知道的年轻人可以百度一下)自发就是说我们都没对它干什么去改变它的状态,它就放出射线来了。
                                            1900年,卢瑟福 指出了一个问题,在我们直觉之中如果在相同时间里形成的一批原子是不是应当它们的寿命是一样的呢?如果组成它们的成分是一样的那么应当它们的寿命是一样的,即使有差别也不会太大。然而我们得到的结果却是原子的寿命其实是可以从零到无穷大的任意值。
                                            这个问题便是我们需要量子力学解决的最初的问题。这个现象在量子力学未出现时也有一些理论去描述,哪些理论就出自大家在吧里经常看到的那几个量子力学先驱。
                                            普朗克、爱因斯坦引入的光子构想,麦克斯韦证明光表现得像波,卢瑟福引导波尔假设出的原子模型。
                                            这个问题大家可以理解成:为什么物体会自发地释放“物质”(射线)?如果因为原子的衰变而释放出射线(一些物质)那么为什么不是整个物体的所有原子同时衰变?
                                            还有就是波尔的原子模型非常好用但是当时没有任何理论支持哪个模型的状态与现实相符。稍后我们会针对波尔哪个原子模型作一个介绍。因为要说明白什么是“量子”这是必要的。


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                                            来自iPhone客户端28楼2017-05-03 01:04
                                              虽然看不懂,但感觉好有趣


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                                              来自Android客户端29楼2017-05-03 05:41
                                                上面提到的这个问题困扰了科学家们许多年。直到1911年才有了一个突破性的进展。
                                                那年卢瑟福使用氦原子核放射出的α粒子(α读作“阿尔法”)轰击一片超级薄的金板。这个实验预计是α粒子会穿透金板,就像一枚炮弹轰在一张薄纸上一样,这个实验只是缩小了炮弹还有让纸变得更加薄而已。实验结果出来后有些出乎意料之外,8000个α粒子中有一个没有像预期哪样穿过金板,而是直线被弹了回来。
                                                卢瑟福马上计算这个α粒子是如何被弹回来的,因为他正是期待着这个不寻常的现象发生。
                                                通过计算卢瑟福得出了一个结论,哪就是只能假定原子是由中心非常小的核和围绕它的电子组成,才能解释这个实验结果。因为8000个α粒子一起轰击金板,只有一个α粒子击中了金属板的原子中的原子核被弹了回来,而原子核几乎包括了整个原子的全部质量才有能力把α粒子弹回来。8000个α粒子才有一个α粒子能击中原子核,可想这个原子核是有多么的小。而其他7999个α粒子或许什么也没穿过,或许它们部分穿过了电子,但是电子没能阻止它们,就这样穿过了金板,而金板却完好无损。
                                                我们可以看看卢瑟福计算所得的结果上显示的一些数据,以氢元素这个最简单的元素为例,它的原子核由单个质子组成,半径约1.75×10^-15米。如果你不熟悉这个表达我用另一种方式写出来就是0.00000000000000175米,也就是1米的1750万亿分之一。而电子则是一点,我也不懂怎么形容它有多小了,只能说是一点。电子与氢核的距离大约是氢核半径的100000倍。如果你想象把一个原子核放大到网球这样大,那么电子仍然比一粒尘埃要小,而且电子距离网球有1公里那么远。
                                                核中有一个正电荷,电子有一个负电荷,就是说它们是相互吸引的(电磁学的异性相吸)“有点像”地球围绕太阳转哪样。
                                                也就是说原子内部基本上是空的。


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                                                来自iPhone客户端31楼2017-05-04 00:01
                                                  继续


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                                                  来自手机贴吧32楼2017-05-04 00:42
                                                    卢瑟福的实验与实验数据启发了 玻尔 。当时玻尔特别迷原子,他就根据卢瑟福的实验所得假设出了一个氢原子模型,还用平面几何画了出来,就像此层的配图。(当然这个很丑的图是我画的,是手画的,诚意满满)
                                                    玻尔没有把这个模型扩展到氢原子以外的原子,但是他引入了可以用到其他原子的思想。
                                                    当时有个令人头痛的现象困扰着普朗克,哪就是当原子被加热时发出光的秘密。不同原子会发出不同颜色的光。
                                                    玻尔就是把光谱学数据融入到他哪原子模型中。首先他说电子只能围绕原子核的一定的轨道运行,能级最低的轨道最靠近核心。然后说电子能够在这些轨道之间跃迁。(跃迁就是在同一时间里从这里消失;又从哪里出现)当电子吸收能量后跃迁到更高的轨道,经过一段时间之后又跳落回原本的轨道,在这个过程中发出光。光的颜色直接由两个轨道的能量之差确定。配图里的箭头代表一个电子从第三能级跳回到第二能级,同时发出光线。
                                                    为什么我们要说这个原子模型?事实上这个世界上没人见过一粒孤立的原子是怎样的,通过玻尔原子模型中的思想我们甚至可以说我们谁都没看到过这个世界上的物质都长什么样,因为我们所看到的只是不同颜色的光。或许有人会说摸摸哪些物质不就知道了吗?如果你本来就懂得电磁学应该明白我们从来都没有真正碰到过任何已知事物,我们的触觉就像生物学家说的那样是电压信号,而我们碰不到已知事物是因为电磁学上说的那样异性相吸,同性相斥。组成我们的原子内部围绕着带负电荷的电子,我们的电子与这个世界上的其它已知物质的电子都带负电荷,由于同性相斥所以电子与电子之间从未贴近过,要是说某人跳楼轻生,那么将他致死的并不是坚硬的地板,而是同性电荷的斥力。


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                                                    来自iPhone客户端33楼2017-05-04 02:30
                                                      玻尔的原子模型是一个假设,这个假设是可以计算猜测的结果的。而当这些结果与理论数据和实验数据相符时,我们可以说玻尔哪个原子模型是个成功的假设。事实上这个假设也从未失手,总能猜测出与理论数据和实验数据吻合的数据。
                                                      那么我们可不可以说玻尔假设的原子模型就是一个真实的原子模型呢?
                                                      不能,因为这个假设出来的模型仍然有许多未解之谜。例如为什么电子被禁止螺旋向内移动?
                                                      其实玻尔的原子模型与现实世界中的一个事物非常相像,哪就是无线电发射机。早在1887年 赫兹 就已经发明了无线电发射机,在卢瑟福发现原子核之前世界上就已经有了商业广播电台,也就是说无线电波已经非常的成熟。这种轨道电荷理论显然没什么错,可是这些轨道上的电荷是会失去能量的,而原子里的电子为何在最近原子核的轨道上就不再失去能量?
                                                      关于这个问题至今都没有什么解释,因为我们接受了 海森堡 的建议。
                                                      海森堡的建议就是不必解释。我们还没讲到“海森堡不确定性原理”我们在讲的是海森堡给量子力学的最有建设性的建议。
                                                      海森堡在1925年发表了一篇文章,文章提倡我们不要去管哪些不解之谜。因为哪些所谓的不解之谜是自己给自己找来的麻烦。由于我们普遍存在了一个直觉上的误区所导致了这些麻烦。
                                                      这个误区就是我们用旧有的理论去处理“新发现”旧有的理论一直处理飞机、大炮这些“大”事物从未失算,我们就觉得旧有理论对于新发现的非常细小的事物也适用,例如我们在讨论的原子内部,如果用旧有理论去描述原子内部只会得到这些不解之谜,我们需要新的方法。新的眼光去看待这些一直存在着的“新发现”。
                                                      说到这里我就想起了一个小典故,牛顿曾有一辆精致的模型车。某天他的某位朋友在牛顿的府邸里看到了那辆精致的模型车就问牛顿这辆模型车是不是牛顿制作的。牛顿或许在思考别的事情就作出了一个敷衍的作答,但是哪个回答还真是十分有深度,牛顿说“为什么它是被制作出来的?它不能是本来就这样吗?”
                                                      海森堡的文章大概就是这个意思:没有为什么电子在最低能级(最靠近原子核的轨道)不再失去能量(动能)而引至电子螺旋式地坠入原子核,因为它本来就是这样。事实上这个最低能级的轨道距离原子核的尺度也是个观测史上前所未有的微观尺度,那么它有什么新奇表现不足为奇。同样这种观念不是特指原子模型,而是给出了量子力学的重要指导思想。


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                                                      来自iPhone客户端34楼2017-05-04 21:33
                                                        针对哪些极度细小构建成我们这个世界的东西,前文我们用到“粒子”“电子”“原子核”之类的词为他们命名。这听起来像是在说它们是细小的粒状体,然而前文也提及到我们都未曾亲眼目睹它们都长什么样。也不可能看得到。那么它们究竟是不是极细小的粒状体呢?
                                                        关于这个问题最能说事的莫过于“创刊号”中所提及的“双缝干涉实验”了。这是个简单的实验,简单到我们在自己房间就能复制这个实验。(许多人做了这个实验得不到想要的干涉条纹哪是因为房间中还存在设置光源之外的光,窗帘关了就好,问题不大)
                                                        如果哪些极度细小的物质(例如光子)是颗粒,那么根据牛顿第一定律绝对得不到干涉条纹,我们只会看到两道穿过两个缝隙映在模板上的两道光,要得出干涉条纹那么这些极度细小的物质只能像“波”就像水波一样。我从百度图片盗来几想图供大家参考一下。当这些极度细小的物质落在模板上又表现得像颗粒,如果我们的模板是用底片做成这一点很明显。
                                                        物质的这种特性被我们称为“波粒二象性”然而我们对于有这种特性的孤立的一个单位称作“量子”。事实上量子是个简称全称叫“量子包”。“包”就是“波包”的意思。


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                                                        来自iPhone客户端36楼2017-05-07 01:12
                                                          接下来我们要进入干货阶段了,当读到了“疑惑”我建议大家把一句话多读几次。或许你们都喜欢一类能用可视、类比手法向大家介绍物理概念的人,但是我想说当遇到量子力学,这些可视化的描述将完全失效。因为“孤立”粒子的行为与我们过往能看到的一切事物的行为完全不同,这里加上孤立的意思就是一个独立的粒子存在时,它将会是怎样的。
                                                          之前我们说过如果氢原子核扩大到网球那么大,那么电子比一颗尘埃还要小。这种说法完全没有问题,因为确实如此。但是当我们问起这个电子到底有多小?这就是个没有准确答案的问题了。例如偶尔在吧里会碰到“夸克大还是电子大?”这种问题。
                                                          三个夸克组成的质子与一个电子相互作用拉扯着;三个夸克组成的质子放大到网球大找,电子比尘埃还小。这要定义谁更大,似乎是个悖论!
                                                          根据海森堡的建议我们的量子力学确实得到了巨大进展,而海森堡所说的全新角度去定义粒子这个定义就是没有定义粒子究竟有多小这种区别大与小的概念的。
                                                          但是海森堡的方法里确实有种类似的定义粒子大小规则。那就是“海森堡不确定性原理”
                                                          ΔxΔp~h
                                                          这里面x代表粒子的位置,p代表粒子的动量(p=mv动量等于质量与速度的乘积),Δ代表不确定性,~是约等于,h是普朗克常数。
                                                          吧里许多人都误以为“海森堡不确定性原理”是在说粒子动量的不确定性,也就是粒子的质量与速度不确定。因为大家都知道粒子这种极微小的小家伙我们需要光去测量它(事实上我们目前的科技来说测量所有东西都只能通过电磁方法,这是我们唯一掌握的成熟理论与技术,我们人类的感知也是电磁作用,除此之外我们一无所知。)
                                                          回到玻尔哪个原子模型上,电子会跳到更高的能级是因为吸收了能量,一般来说就是被阳光照射了,而过了一些时间(这个时间很短暂几乎是瞬间)电子就会释放出能量(光线或者讲成光子)跳回到原本的能级,所以我们看到了颜色,这就是一个电磁作用。
                                                          那么我们用光测量粒子时我们需要利用光的波性,当光波传播到粒子上光得波长越短我们越能确定粒子在哪里,但是由于这个过程等于用光子击入粒子中,这样会增加粒子的能量,而能量与动量是有关系的,所以越是用波长短的光测定粒子的位置那么粒子本身的动量就越不确定,反之我们用波长越长的光去测量粒子的动量时粒子的位置越不确定。
                                                          这里要纠正的错误观点是:不确定性原理,不确定的不是粒子的质量和速度;而是粒子的质量、速度、位置都不确定。
                                                          不过这些不确定有个普,就是它们的乘积大约等于普朗克常数。所有能被我们叫作“量子”的粒子都是这样。这确实是个了不起的定义。


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                                                          来自iPhone客户端37楼2017-05-07 01:16
                                                            普朗克常数当然就是 马克思·普朗克 写出来的。普朗克是19世纪的科学领袖。他提携过许多有伟大成就的科学家,例如爱因斯坦,迈特纳,哈恩等等(后面两位如果大家不是很熟悉我可以简单介绍一下“原子弹因为她们而爆炸”其中迈特纳女士的理论起到关键作用)
                                                            在普朗克就任柏林理论物理学教授前,这个职位还有两个人选,一位是玻尔兹曼,另一位是赫兹不过另外两人都拒绝了。当时这三人都是科学界里的泰斗级人马。
                                                            至于普朗克常数怎么写出来的嘛是要归咎于“黑体问题”。
                                                            黑体是科学家们假设出来的理想物,它的定义是完全吸收辐射,又重新发出辐射的物体,目前现实世界中没找到这样的东西。
                                                            普朗克发现只有假定发出光的能量是由大量较小的能量包组成,才可以解释黑体的光谱(爱因斯坦的光量子假说功不可没)普朗克称这种小能量包作“作用量子”其实这跟爱因斯坦的“光量子”概念上是差不多的。
                                                            E=hc/λ
                                                            这个式子就是普朗克写出来的“作用量子”其中h是普朗克常数,c是光速,λ是光的波长。这也与一些物体受热后发出不同颜色的光的实验数据吻合。也就是说如果我们不去追究普朗克哪个非常深奥的推导过程也可以通过实验根据这个式子测得普朗克常数的值。事实上普朗克常数也确实是根据实验数据修改到今天我们认为已经很准确的值。
                                                            h=6.6260695729×10^-34千克·米^2/秒
                                                            这是个非常小的值,如果你们需要看另一个写法我只愿意写一次。
                                                            h=0.0000000000000000000000000000000066260695729千克·米^2/秒


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                                                            来自iPhone客户端38楼2017-05-07 02:22