量子力学真的推翻了吗?耶鲁大学的电子跃迁实

 行业动态     |      2020-03-11 19:34

21世纪物理的两大支柱学科——相对论和量子力学,相对论经过百年的沉淀后,已经逐渐给揭开了面纱。虽然相对论的高端解释还是只有高级科学家才能理解,但是经过霍金等众多科学家的科普,一个高中生甚至一个初中生都能利用相对论在现实中的实例去理解它基本的含义,也就是懂相对论的皮毛,知道它是研究啥的。但是量子力学完全就让物理学家完全懵了,更别说我们普罗大众了,什么不确定性原理、什么波函数坍塌等等,它们的现象或者解释完全和我们宏观常识不一样,甚至是对立的。连量子力学大神费曼都说,其实我们没人懂量子力学。

经典量子力学最经典最简单的解释就是不连续性和不确定性,在量子力学里面所有东西都是不连续和不确定的,比如能量是不连续的,是一份一份的;粒子的位置是不确定的,是随机的。其中量子力学大神波尔在卢瑟福的原子结构的基础上提出了电子轨道理论,原子核外电子的运动轨道不是连续的,而是一层一层的。

举个不太恰当的例子:两辆火车分别在两条平行的火车轨道上运行,如无特殊情况两辆火车是不可能离开现有轨道的,电子就像火车一样在规定的轨道上运行,互不干扰。但是火车可以通过“道岔”转换轨道,那么电子能不能转换轨道呢?答案肯定可以,电子吸收能量后就会从低能态跃迁到高能态,就完成了转换轨道,我们管这个叫电子跃迁。

最近耶鲁大学在《自然》杂志上发表了一篇论文,大概意思是说实验捕捉到电子跃迁的情形,证明了电子跃迁是需要时间的,它是一个连续的过程,而不是量子力学所说的不连续的。很多人就认为量子力学困扰科学家多年的疑问终于可以揭开了,认为我们只是检测手段不够高明或者检测仪器不够先进所以检测不出来它们的连续性。但是量子力学早就已经说过了跃迁是一个过程,是需要时间的,但是电子轨道是不连续的,除了上面火车轨道的例子之外。再举一个例子:A君在平地上走,路是平的连续的,A君走第一步到第二步这个过程是连续的,抬起脚,脚往前移,然后脚放在第二步的位置,这一步不是瞬间完成的,而是一个连续的过程。同时一个B君在上楼梯,当B君从第一阶梯上到第二阶梯时,右脚从第一阶梯抬起,然后放在第二阶梯,这个上阶梯的过程也是连续的,但是第一阶梯和第二阶梯就不是连续的了,就像电子层一样。

其实耶鲁大学的研究就是研究上述例子中人抬腿的这个过程,这个过程就是连续的,量子力学说的不连续指的是电子层,也就是例子上讲的每一层阶梯。其实早在1986 年,有三个团队最早观测到了单个原子的量子态转换,具体来说,是被电磁场悬浮于空中的单个原子在“明”(可放出光子)与“暗”(不可放出光子)两个态间的转换。在观测中,原子会在一个状态下维持十几分之一秒到数秒,然后发生“跃迁”转换为另一种状态。此后,也陆陆续续也有很多别的团队观测到了这种转换,而在所有这些实验中,这种量子态间的转换过程在对量子系统的监控过程中看起来的确像是完全随机和突然的,但此次耶鲁大学的新实验在观测设定上通过尽可能的利用可获取的信息并确保这些信息不会在系统被测量前被泄露,使科学家能密切跟踪单次量子态转换过程,并预测出每次转换将会于何时发生。

但是耶鲁大学研究结果还是很有意义的,电子跃迁什么时候发生依然是不确定的,电子层数也是不连续的,但是耶鲁大学的研究却有很大的意义,那就是他们发现电子跃迁前会有预警,比如一个人在洗刷间拿牙刷,那么我们就知道他下一步应该就要挤牙膏了,电子跃迁我们不能确定什么时候发生,但是它跃迁前会像人拿牙刷那样提前告诉我们电子要跃迁了。