凌驾于物理定律之上?
如果所有物体都是由粒子组成的,那它们都遵循什么物理定律呢?具体地说,如果我们知道我们的宇宙中每一个粒子此时此刻正在做什么,那么,我们要采用什么方程才能计算出它们未来的状况呢?如果这个方程真的存在,你一定会希望它能(至少理论上能)根据现在预测出未来的方方面面,从击出棒球的路径,到2048年奥林匹克运动会的冠军们。只要能算出所有粒子的下一步,你就能得到一切的答案。
关于这一点,可谓喜忧参半。喜的是,这个方程似乎真的存在,它被称为“薛定谔方程”(见图6-4);忧的是,这个方程并不能精确地预测粒子的下一步。这个方程是由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schr dinger)在百年前写下的。将近百年之后,物理学家们依然对此争论不休,不明白它究竟是怎么一回事。
大家都认同,微观粒子并不遵从我们在中学所学的那些经典物理定律。由于原子的结构让人联想到太阳系,所以自然地,许多人会假定电子绕原子核旋转是遵循牛顿力学的,就像行星围绕太阳旋转一样。确实,当你照此计算时,看起来还真像那么回事儿。你可以拉着一个溜溜球的线,让它绕着你的脑袋旋转;如果线断了,溜溜球就会从断点沿着一条直线飞出去。所以,你对线施加的拉力必须能够克服溜溜球沿直线飞出去的惯性,才能让它做圆周运动。
在我们的太阳系中,行星和太阳之间并没有一根线,那么,保持行星不沿直线飞出去的力是什么呢?是太阳的万有引力。在原子中,原子核与电子之间存在着电荷吸引力。如果你对一个氢原子大小的轨道进行计算,你得到的电子速度与我们在实验室中测得的速度相差无几——这简直是一个理论胜利!然而,为了得到更精确的答案,我们需要在方程中引入另一个效应,即电子如果正在加速(改变速度或运动方向),它将会辐射出能量——你的手机就利用了这一点,让电子在天线附近振动,以传输无线电波。由于能量是守恒的,辐射出的能量不可能凭空创生,而必须有一个来头。在你的手机里,能量来自电池,但在氢原子中,辐射出的能量来自电子的动能,这使得它将向原子核“落下去”,就像上层大气的空气阻力让低轨卫星逐渐减速,失去动能,最终落回地面上一样。这意味着,电子轨道并不是圆形的,而是一个通向死亡的螺旋形(见图6-5)。
在旋转10万圈以后,电子最终会撞到质子上,氢原子就会因此坍缩,享年0.02纳秒[21]。
电子沿螺旋形落入质子中?这可不妙。相当不妙啊。这里,我们谈论的可不是理论和实验之间1%的微小差异,而是宇宙中所有的氢原子(也包括其他所有的原子)都将在你读一个字所花时间的1/10⁹内崩塌殆尽。
可是,绝大多数氢原子都早已存在了140亿年,比经典物理学所预测的寿命长了28个数量级,创造了史上最糟糕物理学预测的世界纪录,直到暗能量密度的错误预测出现(我们在第2章中提到过,它错了123个数量级),才将其挤下了冠军舞台。
除此之外,当物理学家假定基本粒子遵循经典物理定律时,还遇到了许多其他问题。比如,他们发现,加热极冷物体所需的能量小于预测值。这些问题又触发了更多一连串的问题。但是,我们没必要再列举这些例子,因为大自然的信息已经非常清楚——微观粒子并不遵守经典物理学的定律。
那么,这些粒子是凌驾于物理定律之上的吗?并不是,它们遵守一个完全不同的定律——薛定谔定律。
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