量子怪诞性
那么,这一切都意味着什么呢?薛定谔方程描述的这些波,究竟是什么东西?量子力学的谜语,直到今天也没有解开,人们依旧对此争论不休。
当物理学家用数学来描述某样东西时,我们通常需要分别描述两件事:
●它在某一特定时刻所处的状态。
●用来描述这个状态如何随时间而变化的方程。
比如,为了描述水星绕太阳旋转的轨道,牛顿用了6个数字来描述它的状态:3个数字用来描述水星中心点的位置(类似x、y和z坐标),另外3个用来描述3个方向上的速度[27]。对运动方程,他采用了牛顿定律:加速度由太阳对水星的万有引力决定,而万有引力与二者距离的平方成反比。
尼尔斯·玻尔在他的“太阳系”原子模型(见图6-5中图)中,引入了两个特殊轨道之间的量子跃迁,改变了上述第二部分的描述,但他保留了第一个部分。薛定谔则跨出了比玻尔更大、更彻底的一步,他连第一部分也改变了——他彻底摒弃了那个认为粒子必须具有精确位置和速度的观念!相反,他采用了一个崭新的“数学怪兽”来描述粒子的状态,这个怪兽就叫作“波函数”,记作Ψ,来描述粒子如何同时存在于不同的位置。图6\-5右图展示了氢原子的电子位于n=3轨道时的波函数平方[28],也就是|Ψ|2;你可以看出,它并不存在于某一个特定的位置,而是分布在质子的各个方向,只不过在某些半径的概率大一些。在图6-5右图中,“电子云”在不同位置的强度相当于电子出现在这些地方的可能性。具体地说,如果你付诸实践来寻找电子,你会发现,波函数的平方就等于你在某处可能找到这个电子的概率。所以,一些物理学家喜欢把波函数看作是对“概率云”或“概率波”的描述。需要特别注意的是,你永远不可能找到一个粒子在某处的波函数等于零。如果你想在鸡尾酒会上伪装成一位量子物理学家,建议你一定要说一个词,那就是“叠加态”(superposition)——如果一个粒子同时位于此处和彼处,那它就处于此处和彼处的叠加态,它的波函数描述了关于这个叠加态的一切。
这种量子波与图6-6中所描述的那种经典波有着天壤之别。那种你可以在其中冲浪的经典波是由水组成的,波纹形成于水的表面。而氢原子中的“波”和“云”却不是水,甚至根本不是一种物质,那里只有一颗电子,只不过它的波函数像波浪一样起伏,向世界宣告它将如何出现在空间各处。
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