物理世界奇遇记_物理世界奇遇记8

时间:2021-08-23 来源:物理故事 点击:

物理世界奇遇记_物理世界奇遇记8

  8 量子台球

  有一天,汤普金斯先生在银行里做了一整天工作(他们正忙着完成房产方面的业务),回家的路上,他感到非常疲倦。这时,他正好走过一家酒馆,便决定进去喝杯啤酒。一杯下去了,接着又是一杯,不久,汤普金斯先生开始感到有点醉意了。酒馆后面有个台球房,里面有许多人套着套袖围着当中那张台子打台球。他模模糊糊地记起他以前曾到这里来过,那是一个年轻的同事带他来,教他怎样打台球的。于是,他走近台子,开始专心看别人怎样玩。突然,一件非常费解的事情发生了!有一个人把一个台球放在台子上,用球杆把它击了一下。在注视那个滚动着的台球时,汤普金斯先生十分惊讶地发现,那个台球开始“弥散”开了。“弥散”这个词,是他为说明那个球的奇怪表现所能找到的惟一表达方法,因为它在滚过绿色的台毯时,似乎变得越来越模糊,失去了明确的轮廓,好像在台上滚的不是一个球,而是许许多多个彼此有一部分互相叠合的球似的。汤普金斯先生无法理解为什么现在会发生这种情况。“得,”他想,“让我们看看这个松包球怎样打另一个球吧!”

  那个打球的人显然是个高手,所以,那个滚动的球正像人们所说的那样,把另一个球打个正着。这时发出了一声响亮的撞击声,原来静止的台球和那个射来的台球(不过,汤普金斯先生无法确定,它们当中究竟哪个是前者,哪个是后者),两者都“朝四面八方”快速地滚去。这确实是非常奇怪的事,现在不再是两个看来有点松散的台球,而似乎有无数个台球,它们全都非常模糊,非常松散,大致在原来撞击方向180°角的范围内向外滚去。这相当像是个从撞击点向外扩展的独特的波。

  但是,汤普金斯先生注意到,在原来那个撞击方向上,台球的流量最大。

  “这是概率波的一个很好的事例,”在他背后响起了一个熟悉的声音,汤普金斯先生听出这是教授在说话。

  “啊,是你来了,”他说,“好极了。也许你可以给我解释一下这里发生的事。”

  “当然可以啦,”教授说,“这家台球房的主人收集到这里的东西是患了‘量子象牙症’的,如果我可以这样说的话。不错,自然界的一切物体都服从量子规律,但是,在那些现象中起作用的所谓量子常数是非常非常小的,事实上,它的量值是在小数点以后还有27个零的数字,至少在一般情况下是这样。不过,对于这里的台球来说,这个常数要大得多了——大约等于1。因此,你才能够轻易地亲眼看到这种量子现象,通常,这可是只有利用非常灵敏、巧妙的观察方法才能够发现的。”说到这里,教授沉思了片刻。“我并不想进行考证,”他继续说,“但是,我倒很想知道那个家伙是从哪里弄到这些球的。严格地说,这样的球在我们这个世界是不可能存在的,因为对于我们这个世界的一切物体来说,量子常数只具有很小很小的值。”

  “也许他是从另一个世界进口的吧。”汤普金斯先生提醒说。

  但是,教授并不满足于这种说法,他仍然保持怀疑的态度。“你已经注意到了,”他继续说,“那两个球都发生了‘弥散’。这就是说,它们在球台上的位置是不十分确定的。实际上,你无法精确地指出一个球的位置,你最多只能说,那个球‘基本上在这里’,但‘也有可能在别的什么地方’”。

  “这可是一种十分反常的说法。”汤普金斯先生嘟哝着。

  “恰恰相反,”教授坚持说,“这是绝对正常的——从任何物体总会发生这种事这个意义上说。人们只不过是由于量子常数的值大小和一般观察方法太粗糙,才没有注意到这种测不准性。他们得到一个错误的结论说:位置和速度都是永远可以准确测定的量。事实上,这两个量都总是有某种程度的测不准性,并且,其中一个量测得越准确,另一个量就越弥散,越测不准。量子常数所起的作用,正好就是它决定了这两个测不准的量之间的关系。注意,现在我要把这个球放进三角木框里,把它的位置明确地限制起来了。”

  那个球一放进木框里,整个三角框的内部就到处闪烁着象牙的白光。

  “你看,”教授说,“我把台球的位置限定在三角框里几分米范围内了,这就使速度产生了相当可观的测不准性,所以台球在木框里迅速地运动。”

  “你能让它停下吗?”汤普金斯先生问道。

  “不,从物理学上说,这是不可能的。任何一个处在封闭空间内的物体都有一定的运动——我们物理学家把它称为零点运动。举个例子吧,任何原子中的电子的运动都属于这一类。”

  就在汤普金斯先生注视那个球像笼子里的老虎一样,不断地在框子里来回猛冲的时候,发生了一件极不寻常的事。那个球竟直接穿过三角框的框壁“漏”了出来,接着就向球台远处那个角落滚过去。事情怪就怪在它确实不是越过三角框跳出来,而真的是穿过没有空隙的木壁钻出来,一点也没有离开台面。

  “看到了吗?”教授说,“事实上,这恰好是量子论的一个最有意思的后果。任何一件东西,只要它的能量大到在穿过围墙以后还能继续跑开,你就不可能把它囚禁在封闭的围墙里。这个物体早晚总是要直接从围墙‘漏出’跑掉的。”

  “要是这样,我就再也不上动物园去了。”汤普金斯先生断然地说,他那活泼的想象力已经描绘出一幅从笼子里“漏出”的老虎同狮子打架的情景了。然后,他的思想又转到一个稍稍不同的方向上去:要是他的汽车也从锁得好好的车库里漏出来呢?他想象一辆好好锁在车库里的汽车,突然像中世纪传说中的老妖精那样,“钻过”汽车库的墙壁闯了出来。

  “我得等待多长时间,”他问教授,“才能看到一辆汽车——可不是用这里这种愚弄人的材料制造的,而是真正用钢铁制成的汽车——穿过汽车库的砖墙‘漏’出来?我倒确实很想看一看哩!”

  教授很快地在脑子里算了一下,便把答案准备好了,“这大概需要等待100000000…000年。”

  尽管汤普金斯先生在银行业务中经常接触到巨大的数字,他却弄不清教授所说的数字中到底有多少个零——反正数字是够长的,长到他完全不必担心他的汽车会自己跑掉。

  “就算我相信你所说的一切都是正确的,可我仍旧不明白,这样的事怎么能够观察到,如果我们没有这里这些台球的话。”

  “这是一个合理的反对意见,”教授说,“当然,我的意思并不是说,在你经常接触的那些物体上,也能够观察到量子现象。问题在于,量子规律只有在应用到原子或电子这类非常小的质量上时,它们的效应才会变得显著得多。对于这些粒子来说,量子效应已经大到一般力学完全失效的程度。两个原子之间的碰撞,看起来完全同你刚才观察到的两个‘量子象牙’台球的碰撞一样;而电子在原子中的运动,则同我放进三角框里的台球的‘零点运

  动’非常相似。”

  “电子是不是常常从原子中跑出?”汤普金斯先生问道。

  “不,不是的,”教授急忙回答说,“根本不会发生这种情形。你大概还记得我说过,物体一旦通过势垒漏出,还必须有足够的能量跑开。电子是依靠它所带的负电荷与原子核中质子的正电荷之间的静电引力,才保持在原子里的。电子没有足够的能量摆脱这种吸引,所以它就无法跑开。如果你想看到粒子漏出的情况,那么,我建议你去观察重原子核。从某种意义上说,重原子核的表现就像是由一些α粒子组成的。”

  “α粒子?那是什么?”

  “α粒子是由于某种历史原因而给氦原子核起的名称。它由两个中子和两个质子组成,而且结合得异常牢固:那4个粒子可以非常有效地‘贴在一起’。就像我刚刚说过的,由于α粒子结合得极其牢固,在某些情况下,重原子核的表现就像是一些α粒子的集合体,而不像是由单个中子和质子组成的。虽然这些α粒子也在原子核的整个体积内运动着,但是,它们却依靠那种把核子结合在一起的短程核引力而保持在原子核的体积内,至少在正常状况下是这样的。但是,常常也有一个α粒子漏了出来:它跑到那种把它保持在原子核内的核引力的作用范围外。事实上,它现在只受到它自己的正电荷与它留在后面的其他α粒子的正电荷

  之间的长程静电斥力的作用。因此,现在这个α粒子便被推到原子核的外面了。这是放射性原子核的一种衰变方式,你可以看出,这个α粒子同你那辆锁在车库里的汽车十分相似,只不过。粒子的漏出要比你的汽车快得多罢了!”

  在进行这次长谈以后,汤普金斯先生感到疲惫不堪,他精神涣散。漫无目标地四顾着。他的注意力被房间角落里一座巨大的老爷时钟吸引住了,它那长长的老式钟摆正在缓慢地来回摆动着。

  “我看,你是对这座时钟发生兴趣了,”教授说,“这也是一种不大寻常的机器哩,不过,它目前已经过时了。这座时钟所代表的,正好是人们最初思考量子现象时所用的途径。它的钟摆的装法,使得摆幅只能够改变有限多次。可是,现在所有钟表制造者都宁愿采用巧妙的弥散摆。”

  “啊,我希望我能够理解这一切复杂的事物!”汤普金斯先生感慨地说。

  “好极了,”教授立即反应说,“我是在去作量子论演讲的途中拐进这家酒馆来的,因为我从窗外看到了你。要是我不准备迟到,现在我就该走了。你愿意一块去吗?”

  “好的,我去。”汤普金斯先生说。

  像通常那样,演讲厅里坐满了学生,汤普金斯先生虽然只能在台阶上找个座位,但已觉得很满意了。

  乔治.伽莫夫

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