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《量子和粒子物理学何以解释一切》

作者:蒂姆·詹姆斯

【文摘】

第4章 驯服野兽

对于给定的输入值,比如质量或原子核的牵引力,薛定谔方程能准确地预测原子中的电子以三维方式振动的形状,他称之为“波函数”。

波函数是一种方程,你可以用它来生成电子在特定空间或特定时间的一系列属性:波高、波长、波速等

第5章 事情变得更加奇怪……又一次

施特恩和格拉赫发现粒子只往两个方向偏转。

物理学家沃尔夫冈·泡利对薛定谔方程进行了适当的修正,他把自旋的影响考虑在内,得到了泡利方程。

当我们测量一个粒子时,薛定谔方程告诉我们它的可能位置,而泡利方程告诉我们它的可能自旋。我们对“波函数”的定义应该扩展到粒子可能具有的所有属性,包括自旋、能量、动量、位置、最喜欢的电影以及我们想知道的任何东西。

第6章 盒子与猫

“薛定谔的猫”悖论

第7章 世界是一场幻觉

维格纳说,意识一定是坍缩的波函数。

第8章 量子必须死

爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬,简称“EPR佯谬”

速度越快,时间越慢,直到速度达到299,792,458m/s,对你而言时间就停止了。

第9章 瞬间移动、时间机器和快速转动

“延迟选择量子擦除实验”

第10章 量子力学证明我是蝙蝠侠

哥本哈根诠释

德布罗意-玻姆诠释

交易诠释

多世界诠释

第11章 走入歧途

为了解释磁铁的工作原理,法拉第让人们把磁想象成由“场”构成,而不是由物质构成的。

麦克斯韦方程

20世纪20年代末,退隐的英国物理学家保罗·狄拉克决定发明一个术语“量子场论”,来解释电磁场。

保罗·狄拉克从数学上解释了我们如何从光子场/电磁场中提取光子,并证明了由于所有粒子都具有波动性,所有粒子都可以看成是自己场中的量子。

第12章 直线和波浪线

狄拉克建议我们先从小处着手,只考虑两个最简单的粒子/场:电子和光子。他把电子和光子之间的相互作用称为“量子电动力学”,简称QED。

我们把这种电磁场中的瞬时波动称为“虚光子”,用以与构成光束的、实际的、永恒的光子区分开。

如果数字还无法说服你,QED还有另外一个重要的预测,即反物质。

第13章 粒子物理的创立

“μ子”

τ子

由电子、μ子、τ子及其反物质孪生兄弟组成的粒子家族中,电子和正电子是最轻的。人们把这6种粒子统称为“轻子”。

夸克(kwork)

通过分析已发现的大量粒子的质量、电荷、自旋和寿命,盖尔曼说所有粒子都可以理解成夸克的组合。有两种夸克,分别叫“上夸克”和“下夸克”。

上夸克带+2/3电荷,下夸克带-1/3电荷。

质子和中子各由三个夸克组成,考虑到海森堡不确定性原理,这些夸克周围有数千个虚夸克。维持稳定的三个夸克叫作“价夸克”,它们决定了整体的同一性。

夸克有红、绿、蓝三种“色荷”,它们通过胶子结合在一起,颜色相互抵消,形成整体呈“白色”的质子和中子。夸克并不是字面上的红色、蓝色和绿色(实际上它们没有颜色,参阅附录Ⅴ),我们通常把它们画成红色、蓝色、绿色,只是为了故意造成混淆。

盖尔曼把关于夸克和胶子的量子场论称为“量子色动力学”(QCD)

“夸克禁闭”

物理学家谢尔顿·格拉肖相信有第四种夸克,并计算出了它可能具有的性质。

格拉肖深信大自然是美丽的,所以他给他憧憬的粒子取名为“粲夸克”(1)。迷人的大自然使夸克更加和谐、对称。他的乐观在1974年得到了回报,粲夸克被发现了。

粲夸克是上夸克的“胖姐姐”,奇夸克是下夸克的“胖姐姐”。还会有第三代吗?小林诚不相信必败的设想,他给这些夸克取名为“底夸克”和“顶夸克”。它们分别在1977年和1995年被发现。

第14章 亲爱的,我的希格斯在哪儿

诺特定理是关于物理学家所说的“对称性”的,这是一个我们一直在玩味的概念。当我们研究一个事件或一个粒子时,我们通过方程计算动能(运动)和势能(场中的位置),两者的差值叫“拉格朗日量”。每条物理定律都有一个拉格朗日量。

诺特定理说,如果理论具有对称性,那么一定存在一个相关的、不会被改变的粒子属性。

沃尔夫冈·泡利(击垮德布罗意导波的家伙)提出的解释是,β衰变一定还产生了另一种粒子:某种不带电的反轻子。恩里科·费米把这种假想的粒子称为“中微子”,意思是“微小的中性粒子”。

中微子当然也有三代,分别是电中微子、μ中微子、τ中微子。

量子场论涉及两种物体:物质粒子(夸克、电子、中微子)和相互作用的场粒子(光子、胶子、W粒子和Z粒子)。

物质粒子统称为“费米子”,拥有空间等属性;传递力的粒子统称为“玻色子”,能够相互重叠。

量子场论中粒子的完整列表非常庞大。以夸克的数量为例,最开始有6个主要的场:上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克,每种夸克都有3种可能的色荷(红、绿、蓝),因此共有18个粒子/场;接着,我们还要考虑所有的反物质夸克,加起来是36个,如果还要考虑左手性和右手性,那就是72个。

第15章 引力的麻烦

目前,我们的知识之树是一个理论网络,它有三根主要的大树枝。第一个是广义相对论,可以解释天文学、宇宙学和引力;第二个是电弱理论,可以解释质量、光、放射性、经典力和化学;第三个是量子色动力学,可以解释原子核。我们很快就要把后两者结合起来了。

“大统一理论”,或者叫GUT

【想法】

作者以讲故事的方式讲述了量子物理学的发展史,其中的内容与我而言还是难以理解看😂,要是有相关的视频或者动画演示,大概有助于非科班的人理解,靠别人的说明和自己的想象去理解,太难了。

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博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之。