一、斗胆聊聊量子物理
　　回忆我的高中时代，在物理的学习过程中一步步地了解这个宇宙的规律。星体，重力，电、磁、光等等让我感觉自己已经掌握了这个世界的所有秘密，宇宙在我心中透明般地运行着。直到那该死的相对论还有量子力学！它们那么难懂，那么晦涩，甚至可以说那么荒谬，一下子让我感到非常沮丧，宇宙也重新变得神秘起来。
　　我相信大部分人和我一样，都是从相对论和量子学这所谓的近代物理学开始搞不懂，甚至开始排斥物理学。应该还有人觉得这两个理论一定是有缺陷的，一定是错误的，相信着科学家有一天会告诉我们一个更容易理解更完美的理论。
　　然而，宇宙就是宇宙，事实就是事实，它不会以我们的意志为转移。自从这两个理论被提出以来的近一个世纪的时间，已经无数次地被证实着它们的正确性。虽然它们有悖常理，但它们确实是这个世界的真相！我们都知道爱因斯坦说：“上帝不会掷骰子”，然而大部分人却不知道玻尔（爱因斯坦关于量子论的论战对手）的回应：“至少，上帝不用我们教他该怎么做”。
　　我们生活在这个时代，这个科学家已经把这个宇宙研究的如此深入的时代，是何等的幸运。如果仅仅因为理论的晦涩就排斥它、远离它而放弃了解宇宙将是多么大的一个遗憾。
　　我不是物理的专业人士，但我想抱着和朋友们一块学习的目的来谈谈量子理论，一起感受感受这个宇宙的奇妙。毕竟它就在我们的身边，和我们的一切都戚戚相关。光，空气，大地，桌椅等等所有所有都是按照它所描述的方式诡异地存在着。
　　当然也希望各种专业人士来挑错。
　　说到现代物理学，当然要从几百年前那个落在人脑袋上的苹果说起。
二、牛顿，改变了我们的世界观
　　三四百年前，人们已经知道了地球不是宇宙的中心，天上的日月星辰都是和我们的大地一样的星球。然而这些事情在人们的眼中是很神奇的，理所当然会认为它们是被上帝按照我们所不理解的一种方式在驱动着。能做的只是用数学、几何去描绘、计算它们的运行规律。以敬畏的心理来观察它们。
　　在这样的背景下，牛顿公布了他的万有引力和三大定律。带给人类的震撼是可以想见的，它们解释了我们身边一切！就连天上那神奇的星体，竟然也和我们身边的事物一样按照这规律运行！而这规律又如此的简洁而完美。
　　于是万事万物不再神秘，人类觉得自己已经掌握了宇宙的终极规律，并且开始认为这些物理公式就是宇宙的本质。其实对于今天的我们来说，对客观世界的观念也是主要形成于牛顿定律。虽然量子论和相对论已经展现了世界是完全不同的另一种面貌，但它们并未深入人心。
　　虽然牛顿定律非常完美，但我们即便不去追究万有引力的形成原因，物理学也还有很多事要做。最显而易见的就是光和电。
　三、经典物理的完美统一
　　其实牛顿给出了自己对于光的理解，他认为光是由非常多的小颗粒组成的，而每一个小颗粒都遵从牛顿定律。虽然胡克在1660年代就发表了光的波动说观点（牛顿定律发表在1687年），1690年惠更斯在他的《光的专著》里也发表了波动说，以及后来也有很多人支持波动说，但由于牛顿在当时无上的权威，“粒子说”是绝对的主流。
　　时间来到1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目，要求解释光的衍射现象。支持波动说的菲涅尔就是当时仅有的两名应征者之一。他用波动的观点给出了科学解释。但遭到了以泊松为首的粒子说支持者的强烈反对，泊松通过计算指出，如果波动说是正确的，那么光在通过一个圆球或圆盘后会在阴影的中间形成一个亮斑，他认为这显然是荒谬的，并希望以此来证明波动说是错误的。但是菲涅尔接受了这个挑战，立即用实验验证。结果真的出现了一个亮斑！泊松本来想要据此反驳波动说，没想到反倒帮助证明了波动说的正确性！菲涅尔大获成功，获得了科学奖，而人们戏剧性地把这个亮斑称作“泊松亮斑”。
　　从此，光的波动说渐渐地为人接受，成为了光学的主流。科学就是这么奇妙，数学公式和推理往往会战胜常识。以后我们还会看到更多类似的例子，一步步击碎我们的常识。
　　除了光以外，科学家对电磁的理解也越来越深入，库仑定律，高斯定律，法拉第定律等等逐步被人类发现。一直到1873年麦克斯韦发表了他的麦克斯韦方程组，还预言了电磁波的存在，并认为光就是电磁波，电磁理论被完美统一。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。
　　至此，人类认为物理学已经接近走到了终点，客观世界的奥妙已经被认识殆尽。比如当时慕尼黑的物理学教授菲利普?冯?约利劝他的一个学生不要学习物理，他认为“这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”。
　　幸运的是，这个学生说“我并不期望发现新大大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”他的名字叫做马克斯?普朗克。而他将点燃量子物理的导火索。

六、爱因斯坦与量子理论
　　我们提到爱因斯坦，首先想到的肯定是“相对论”。而且大部分人也知道爱因斯坦非常抵触量子理论，最有名的就是那句“上帝不会掷骰子”，甚至会认为这是他的错误，为他感到遗憾。
　　然而事实往往不像我们看到的那么简单。爱因斯坦是真正发展量子理论的第一个人，他获得的唯一一个诺贝尔奖也是因为量子理论。当然相对论没有获得诺贝尔奖不是因为相对论不够伟大，而是因为相对论还缺少“足够确凿”的证据。当然爱因斯坦后来反对量子理论也是事实，而且这个反对还非常强烈，他和玻尔关于量子理论的论战可以称作是科学史上最伟大的论战。但是我们不能简单地把这个归结成爱因斯坦的错误，或者他的固执，因为爱因斯坦之所以反对量子理论，是因为他比常人更聪明，看的更远，想的也更多。我这么说是有根据的，后边会提到爱因斯坦在这次论战中给我们后人留下的遗产，而这个遗产将给我们展现一个多么神奇的东西！这个东西就叫做“量子纠缠”，一个被称作“上帝效应”或者“幽灵效应”的超乎人类想象的真实存在。
　　当然，现在我们还是要把视线拉回到普朗克提出辐射公式的年代。
七、另一个令人头疼的问题。
　　同辐射存在的问题一样，当时完美的物理学还有一个不能解释的现象：光电效应。
　　光电效应是在1887年被德国物理学家赫兹发现的，它指的是这么一个现象：当光照射某些物质时，会有电子激发出来，通俗地说就是会有电子飞出来。
　　乍看起来，这也没什么好奇怪的，物质吸收光的辐射，获得能量，电子能量增多就挣脱了原子的束缚飞出来了嘛。话是这么说，但凡事就怕较真二字，一较真就会发现这个现象可没那么简单，没那么符合常理了。
　　光电效应的实验有着这样的特点：
　　1，飞出来电子的动能和光强没有关系，反而是和光的频率成正比。频率越高，动能越大。
　　2，当频率比某一个值低时，不管你的光强再大，光再亮，照的时间再长，也永远不会发生光电效应。
　　3，只要频率高于2中所述的那一个值，不论光有多弱，也会发生光电效应。
　　4，从光照射到物质，只要频率够大，就会立即发生光电效应（时间间隔不超过10的-9次方秒）。
　　如果我们把辐射电磁波想象成连续不断的传递能量而电子吸收足够的能量后就飞出来的话，上边的特点就完全解释不通。
　　如果有朋友不知道光强和频率的区别，这么说就可以明白了：频率代表电灯的颜色，比如发出荧光灯发白光，钨丝灯发的泛红色的光等等；而光强就是电灯的亮度。现在再考虑下前边的特点应该就会感到奇怪了吧：就是你的电灯只要颜色不对，就是亮瞎眼，物质也是纹丝不动。只要颜色对，就是昏天暗地一丁点的亮度也照样发生光电效应。
　　1887年这个现象被发现以来，一直都得不到合理的解释。
　　再回到普朗克提出的“量子”概念（1900年），当时主流科学界对此并不认可，因为经典的物理学，电磁理论已经解释了太多现象，在太多的领域都得到了证明。科学家们更倾向于努力把普朗克的公式融会到现有的理论体系中。当然这是对于那些老有所成的前辈来说，初出茅庐你的后生可不管那一套。
　　这个后生就是爱因斯坦。他在1905年，把“量子”的概念拿去往光电效应身上一套，发现简直就是是量身定做的一般！

八、爱因斯坦对光电效应的解释。
　　我们来看看把“量子”应用到光电效应后的情况：
　　现在，我们不能把光看成是电磁波了，应该把它看成是一个一个的小颗粒。这个小颗粒取个名叫做“光子”。比如电灯发的光，我们就不能把它看成是连续的，而是随机超四面八方乱射的子弹，这个子弹就是光子。我们想象让电灯暗到一定程度，比如每次只能发出一颗子弹，就是每次只放出一个光子。情况将会这样：你家的墙壁随机的这里亮一下，那里亮一下。而不会是熟知的这样：光线越来越暗，但整间房子保持一样的亮度。
　　每颗光子子弹所包含的能量是（普朗克常数*光的频率）--把光当成子弹，但是还得用到它的频率，真是一件很矛盾的事情，但是我们姑且把这个频率当做光子的一个属性对待好了。
　　现在我们考虑这些光子子弹射到物质上发生光电效应的情况：
　　我们假设电子被束缚在原子中，而电子要挣脱这个束缚飞出来所消耗的能量是一个固定值A。那么他吸收一颗光子子弹，如果这颗子弹包含的能量比这个固定值A小的话，显然电子飞不出来，于是就会把这颗光子子弹的能量转化为热能而消耗掉。
　　如果这颗子弹包含的能量>固定值A，那么电子就会吸收这个子弹的能量而挣脱束缚飞出来，飞出来时电子的动能自然就是（光子子弹包含的能量-固定值A）。
　　现在我们用这个模型来解释下光电效应的特点：
　　1，（电子的动能=光子子弹的能量-固定值A），而（光子子弹的能量=普朗克常数*频率）。自然也就有（电子的动能=普朗克常数*频率-固定值A）了。也就是上述第一条的电子动能与频率成正比。
　　2，光子子弹不够，那么不管子弹再多（电灯有多亮），都只能转化为物质的热能，而不会让电子挣脱束缚飞出来
　　3，这一条特点中指的当然就是固定值A了
　　4，吸收一颗子弹用的时间当然是很短的，也不会和往物质上开枪的持续时间有关。
　　于是，光电效应完美的，严丝合缝地被解释清楚了！
　　确实很完美，但我们别被胜利冲昏头脑。还记得那个戏剧性的“泊松亮斑”吗？那可是千真万确的表明光是连续不断的波的啊，这里怎么又成了一颗颗孤立的光子子弹了！这，这，这算个毛的回事啊！
九、感到不对劲了吗？究竟哪里不对劲呢？
　　我们回忆一下牛顿定律，为什么接触它的时候给人以茅塞顿开的感觉，而丝毫不会排斥它。
　　现在的普朗克公式和爱因斯坦对光电效应的解释，为什么让我们觉得玄玄乎乎，总有哪里不对劲？
　　为什么同样是物理规律却给人造成如此不一样的感觉？
十、现在！马上！立即！丢掉对科学的神秘感，对科学家的神秘感。
　　仔细想想不难发现，牛顿定律的F=ma。之所以让我们接受起来如此的舒服，如此的心甘情愿，是因为力，质量，加速度这些都是我们熟知的事情，在我们身边本来就一直存在。我们自己就可以使劲，自然对“力”这个概念不陌生。质量当然也是如此，因为虽然它和重量不是一个概念，但是重量这个概念却可以很好地帮助我们理解它。加速度，虽然是牛顿新提出的，但我们对速度一词是很熟悉的，加速度就是速度的变化嘛，理解起来也并不困难。而且力气越大物体的速度变化越快也很符合我们的常识，所以牛顿定律更像是帮我们把我们的常识非常清楚的归纳起来了，整理明白了。就像有人帮我们把杂乱的房间整理的清清楚楚，我们当然感到心情愉悦。
　　然而，到了普朗克公式和爱因斯坦所解释的光电效应，情况完全不同了。能量怎么就和频率是倍数关系了呢？而且你把光当做波来看，有频率这个属性当然没问题，但你又把它当做一个颗粒，一个子弹式的东西，怎么还说它有频率呢？而且还说它的能量与频率成倍数关系，这都哪跟哪啊？我们脑子里哪有这些玩意啊？如果说牛顿帮我们把房间整理的清清楚楚，那么量子力学就相当于把我们房间扯的到处都是线，把桌子、椅子、沙发、床、电灯、电脑等等的东西胡乱的都连上绳子。我们怎么会不感觉乱，不感觉不可接受呢？
　　那么科学家为什么要提出这些理论，科学家为什么能提出我们理解不了的理论？难道是因为科学家更聪明吗？难道科学家就能明白为什么光子的能量是频率的倍数了吗？答案是：他们也不理解，他们也搞不懂，他们和我们一样感到不舒服！
　　那么科学家凭什么能提出这些理论呢？我们回忆一下普朗克公式和光电效应解释的过程就能明白。普朗克公式完全是按照数据给凑出来的，他根本不知道公式代表的什么含义，也不知道为什么，但这个公式符合事实了，所以他就公布了。爱因斯坦呢？大量的实验数据清楚的显示能量和频率就是有关系，再结合“量子”的概念，它确实就能够解释的通。
　　现在明白了吗？不是科学家要在我们的家具之间胡乱的扯上绳子，而是这些绳子本来就存在！只不过我们以前没发现罢了！科学家把这些透明的绳子给我们涂上了颜色，展现在了我们面前！科学家和我们一样，也不喜欢这些绳子，也嫌它们烦，嫌它们乱，也不知道这些绳子是为什么，但是实验数据使他们不得不承认绳子的存在！
　　所以，我们不要再感觉科学家神秘了，不要再感觉那些规律高深莫测不可理解了。那些物理公式，物理关系都是无数次的实验数据的总结！
　　也许你看到上边普朗克推导公式的过程感觉好不靠谱，好没科学依据，一定就是个例而已，不会是科学的常态。现在，我们应该认识到，这就是科学的常态！科学就是重复的实验数据，就是设计新的实验，为我们发现新的绳子！
　　当然，作为聪明的人类，不会容许这些绳子把我们的房间搞得乱七八糟的，但我们也不能无视这些绳子的存在。我们应该努力把这些绳子理顺，让我们自己觉得舒服些。这就是关于新的科学发现引发的哲学思考所在做的事!
　　当然了，现在还好，整个宇宙就一个“光”是特殊的，是令我们理不顺的嘛，其他的还都是明明白白的，也还算可以接受。我们慢慢研究，会把它理顺，搞清楚，整理明白的。
　　但是，非常遗憾，全世界的科学家可不是都在盯着一个目标研究，潘多拉魔盒已经打开，你这边的绳子还没理顺，那边更多更乱的绳子接二连三的出现喽！

　十一、补充：为什么用波的方式解释不了光电效应
　　经过上边的叙述，可以看到使用光子子弹的方式解释光电效应非常的清晰明白。但可能有的朋友不是很清楚为什么用波的方式就解释不通。所以在这里作一点补充，方便大家可以更形象的理解。
　　上面说了，按照光子子弹的方式来看，电灯就像一个随机向四面八方告诉发射子弹的机关枪。那如果按照波的方式来看呢？电灯其实可以看做源源不断扔向水中的石头，从而持续的溅起水波向四面不停的分散。
　　如果按照波的方式来理解，光电效应中向物质照射光，我们可以看做你和另一个人各牵住一根绳子的两端，他上下摆动绳子，能量就通过波的形式传递到你的手中。很明显，这种能量是源源不断的，连续的传递。不同于子弹的一瞬间就传递一整颗子弹的能量。如果按照波的方式连续的传递能量，那么电子就会一点一点的连续吸收能量，它吸收刚刚等于上面提到的固定值A的能量时，就会摆脱束缚挣脱出来，而挣脱出来电子的动能应该正好是0。不会有上面说的挣脱出来的电子的动能和频率成正比的关系。由于连续的传递能量需要时间，所以也不会像上边提到的不管光多弱都会在很短（10的-9次方秒内）的时间内就飞出。

十二、你脑海中的原子是什么样的？
　　先暂且放下量子和恼人的波粒二象性，来考虑一个从古到今一直在考虑的问题：世界是由什么组成的？
　　两千年前的亚里士多德就提出了原子的概念，认为所有物质都是由原子组成，而原子是最小的单位，不能被分割。我猜他之所以这么认为，应该是因为一个物体可以砸碎，砸碎，再砸碎一直砸成粉末，然后就想一直砸下去会怎么样？答案就是肯定能砸成一个最小的不可分割的颗粒！于是给它起个名字叫做原子。古人其实还是相当聪明的。
　　现在的我们都知道了原子并不是不可分割的，而是由原子核和电子组成。如果问原子内部是什么样，大部分人脑海中肯定会浮现起类似于太阳系般的图像--中间一个原子核，电子在外围绕着它旋转。这个模型真的很美：大到宇宙天体，小到肉眼看不到的原子全部都按照这个清晰漂亮的方式在运行着，真是天人合一，万物和谐啊。然而愿望是美好的，现实是残酷的，这样的原子模型并不符合事实。那为什么上学的时候要这么教我们呢？因为要解释清楚真实的模型是一件非常非常复杂的事。太阳系模型实在是容易让人接受的模型中最接近真实情况的了。
　　然而，即便是这个太阳系模型，也并不是想当然想出来的，中间也很是费了一番周折。我们前边说了，亚里士多德认为原子是不可以再分的。这种思想持续了两千多年，直到1897年，汤姆森发现阴极射线管发射的阴极射线会偏向正电极，于是他认为这是由原子分离出的带负电荷的小粒子，把它取名叫做“电子”，人们从此才开始认为原子是可分割的。我们知道整个原子是不带电的，所以既然有带负电的“电子”，那剩余的部分就肯定带等量的正电荷。带正电荷的物质和电子在原子中是怎么分布的呢？1908年之前，主流的看法是由这个汤姆森提出的一种模型：葡萄干模型。就是带正电荷的部分像一块大蛋糕填充整个原子，而电子像葡萄干一样镶嵌在这个蛋糕上。听着是不是觉得很可笑和不可思议啊？其实一点都不奇怪，自从他发现电子后，又测量出一个电子的质量只有最轻的原子—氢原子--的二千分之一！按照这种质量的比例来看，葡萄干模型真的是合情合理。
　　然而科学不是合情合理，再合理的东西都需要严格的实验或者推理来证明，所以1908年就有人做实验来验证了，这个实验就是著名的卢瑟福实验。
　十三、想藏起来？机枪扫你丫的
　　想知道原子的内部结构，应该怎么办呢？直接拿眼看是肯定不行了，因为即便到了今天，显微镜也只能看到原子，还看不到原子的内部，更别提一个世纪以前了。被难住了吗？卢瑟福有办法！
　　其实这个办法我们大家都不陌生，因为这招在现在的各大电视剧里真是太常见了。任何有官兵，强盗，小日本的电视剧，经常会有我们的英雄主角被追的抱头鼠窜，然后走投无路只好躲到草垛一类的掩体里里猥琐藏身。接下来轮到谋害我们英雄的坏蛋们出场，他们找了半天看不到人，于是就要么拿刀往草垛里乱扎，要么往草垛里胡乱开几枪。如果看到血或者听到人叫，那就搞定了。卢瑟福就是用的这个办法！虽然我们的猪脚们有光环护体，一般都能安然躲过，但原子们可就没有那么幸运了，在一阵猛烈的机枪扫射下，原形毕露！
　　卢瑟福的实验是这样的：用速度可达光速三十分之一的α粒子束（就是电离出的带正电的氦原子）轰击重金属--如金、银等--的原子，然后检测α粒子束的散射情况。上边提到了，电子的质量只有氢原子的两千分之一，所以不会对α粒子造成什么影响，能使α粒子偏移的就只有剩余的带正电的部分。如果像汤姆森所说的那样，原子像一个大蛋糕，也就是原子是均匀的，那么所有α粒子应该都会发生角度差不多大小的偏移。然而实验结果却不是这样，大部分的α粒子确实都发生了角度很小的偏移，但每8千个左右的α粒子中就有一个发生了极大的偏移--超过90度，也就是说大部分的粒子几乎没受影响，而极少数却被反弹回来了！这说明什么？答案只能有一个，那就是带正电的部分只占了原子的极小一部分！事实上通过反弹的粒子比例可以算出正电荷部分的大小与整个原子的比例，这个比例大致是这样的：如果说原子相当于一个音乐厅的话，那么带正电的部分就相当于音乐厅中的一只蚂蚁。
　　于是原子的行星模型也就呼之欲出了：带正电的原子核处在原子的中央，而带负电的电子围着原子核旋转。
　　关于原子说了这么一大堆，其实就是想说，即便是今天对于我们来说是基本常识的知识，也凝结古人无数的努力和智慧！
　　虽然这个行星模型非常的吸引人，但是很遗憾，它是不可能存在的，原因就在于电子是带电的！

十四、思维跑偏了。。。
　　拿一根绳子，在一段拴上一个小球，抓住另一端开始让它转起来。小球之所以会成飞快的旋转而不飞出去，是因为绳子在拉着它，对它有拉力。其实太阳系统的原理和这个一样，只不过提供拉力的不是绳子，而是不需要媒介的万有引力。这样，地球和其他的行星绕着太阳旋转的时候就不会飞走，而是呈一个圆形轨道（准确的说是椭圆轨道）。你如果甩绳子不够用力，就是说不能给小球一个足够的初始速度，小球是转不起来的。你的小球速度越快，需要的拉力就越大，快到一定程度，绳子就会被拉断，小球就会飞走。再考虑太阳系也一样，行星的速度太慢，就转不起来而被太阳吸走，如果速度太快，万有引力就不足以拉住它而导致它飞走。
　　我上边说的都是常识，所以我在说废话吗？不是的，我是在问一个问题，究竟是谁给了这些行星如此恰到好处的初始速度，使它们可以稳定地绕着太阳旋转数十亿年。
　　也许宗教人士高兴了：上帝，一定是上帝！我要说的是，先别着急劳他老人家的大驾，我们先考虑考虑生孩子的过程：从父亲体内出来的时候，差不多有10亿个兄弟姐妹，但是只有一个成为了孩子并长大成人。等这个孩子明白了生育过程，就会发出感慨：简直是奇迹，我太幸运了。现在明白了吗？并不是因为幸运和巧合才能留下来，而是留下来的在发表幸运感慨。太阳系也一样，不是因为巧合才使这些行星完美旋转，而是不完美旋转的都毁灭了，留下来的都是具有恰好的初始速度的。正如进化论，这个物种之所以存在，就是因为他能存在。
　　我们假想那999,999,999个兄弟姐妹也全都会说话，那么整个世界的主流呼声将是“我太不幸了”，你那幸运感慨将会被彻底淹没。。。。。。。当然了，如果10亿个一块喊，世界会吵死的。
　　本来只是想对比下行星和原子模型的，没想到引申了那么多。
　　马上回到正题，看看原子和太阳系有什么区别，为什么不能是同样的模型。
十五、如果行星模型是真的
　　同种电荷相排斥，异种电荷相吸引，这是常识。看看原子，原子核带正电，电子带负电，它们之间就会产生吸引力。这个吸引力和万有引力还特别相似，都是和距离的平方成反比。所以原子不就刚好可以像太阳系那样运行了吗？
　　可惜，成也萧何败萧何，带电虽然可以提供模型必需的吸引力，带电却同时又会使这个模型瞬间崩溃。原因又是它：该死的电磁辐射。
　　电子是带电的，而电荷的移动就会发射电磁波，也就是会向外发射能量。我们假设电子围着原子核在一个圆形轨道上旋转，因为它在转动，所以它就会发射电磁波而损失能量，于是它的速度就会降低，速度降低就会导致它的轨道变短。轨道变短电子也还是在转动，也就是还在损失能量，轨道继续变短。这个过程继续下去，电子将会坠落到原子核上。然后原子核的正电和电子会中和掉，而原子就变成了一个不带电的原子核！
　　我们描述这个过程用了一整段文字，然而通过计算可以知道，这个过程大约只需要10的-10次方秒的时间。也就是说如果原子按照行星模型运行，那么会在一瞬间就崩塌成一个不带电的原子核！
　　我们不用考虑就可以知道，如果这种情况发生，宇宙将在一瞬间崩溃。
　　但如果我们再进一步考虑，这种情况发生后，具体会是什么情景呢？应该是一个很有意思的问题。

　十六、黑洞，其实也没那么神秘（一）。
　　不同的物质在我们眼里展现出不同的性质，比如水和油，木头和铁等等，我们都可以很容易的区分出来。而他们之所以会有这些迥然不同的特性，都是因为不同的原子包含着不同运动形态的电子，从而具有了不同的物理和化学性质，再通过千变万化的化学作用，形成了我们这个缤纷多彩的世界。如果原子全部崩塌为原子核，那么这些原子的物理和化学特性也就不复存在，也就将没有水，没有铁，什么都没有，只剩下了一种玩意;原子核！确切地说是不带电的原子核！
　　当然这还没有结束。接下来万有引力将登场，展现它霸气侧漏的威力！
　　从脚下捡起一颗土，问自己一个问题，它为什么能够呆在地上不动？应该会觉得这个问题很白痴，又没有人移动它，它自己怎么会动？。那我们如果考虑重力，也就是地球对它的万有引力呢？牛顿不是说力就会引起速度的变化吗，它为什么还是呆着不动？这个问题也很白痴，因为地球的土地在支撑着它啊。那接下来再考虑，地球拿什么在支撑它？这个问题照样也很白痴，因为地球的土地是固体，是硬的，会保持自己的形状，从而支撑着它嘛。那接下来再再考虑，地球拿什么支撑着自己的形状？也许这个问题就没有那么白痴了。
　　我们知道原子是由带正电的和带负电的不同部分组成的，而同种电荷排斥，异种电荷吸引。那每个原子都包含两种电荷呢？当然是既排斥又吸引！两个原子离的太近，排斥力就会大于吸引力，离得太远，吸引力又会大于排斥力，从而让原子之间能够保持一个适中的距离稳定不变。就像冬天里的两个刺猬紧挨着取暖，离得远了就会冷，离得近了又会相互刺对方。
　　现在就可以考虑地球吸引力的问题了，由于地球的引力，地球本身就有被压缩的趋势，稍微被压缩一点，上述的原子之间距离变短，排斥力就会增大，从而抵消了这个引力。地球也就能够保证了现在的大小不改变，从而支撑着地球上的万物，包括我们。一切才不至于被吸到地球中心去。
　　但是如果发生了上述原子崩塌为原子核的情况呢？原子的正负电荷全都消失了，也就没有了电荷的吸引力和排斥力。试想整个地球的原子都发生了这种崩塌，但由于质量还在，也就是万有引力还在，原子核之间又没有排斥力来抵消这个万有引力，于是所有的原子核将被吸引到一起，全都紧挨着。还好此时原子核也有保持它自己形状的能力，从而可以抵消万有引力，保持形状稳定。
　　我们还说过，原子核的大小和整个原子相比就像蚂蚁与音乐厅。于是地球也就由音乐厅的大小变为了蚂蚁般大小。我们地球的直径是1.2万公里左右，那时候就将变为0.12公里左右！也就是地球将直径为100多米的一个大球！
十七、黑洞，其实也没那么神秘（二）
　　地球坍塌成一个22米的大球后，由于质量没变，但中心距离地表的距离减少了10的5次方数量级倍。由于引力和距离的平方成反比，所以地球表现的引力将至少增大10的10次方数量级倍。是不是联想到了黑洞？
　　宇宙中其实还真的存在类似于上述由不带电的原子核组成的星球，就叫做中子星。当然了，中子星的形成原因并不是上边所说的行星模型引起的原子坍塌。宇宙中不存在这么不靠谱的原子！
　　宇宙中能够产生中子星，黑洞这类的奇葩球体，全部都要归功于万有引力这个威武雄壮的汉子。
　　抬头看看我们的太阳，其实它大部分是由氢气和氦气组成的。它一直在发生在激烈的核聚变反应，向外散发能量。就像我们烧开的水会抵抗重力向上飞一样，它产生的能量也在支撑着气体对抗太阳自身的引力。然而能量总有耗尽的时候，当太阳冷却下来，他的巨大引力将把所有物质向中间压缩，由于太阳的质量足够大，引力足够强，原子间的排斥力已经不足以抵抗它，原子就将被压碎，它的电子将全部成为自由电子。自由电子间产生强大的电子简并压足以对抗太阳的引力，从而使星球稳定在一种由原子核和自由电子组成的物质的状态。这样的星球叫做“白矮星”。
　　然而如果太阳冷却以后的质量仍然达到现在太阳的1.4倍以上，那么万有引力将强大到电子简并压也不足以抵抗，于是星球会继续压缩，自由电子将被压到原子核中，这就类似于上述的原子坍塌的状况，星球的物质将变为由不带电原子核，也就是全部由中子组成，而中子之间也会产生类似于原子的既有吸引又有排斥的力，排斥力将可以抵抗万有引力从而保持星球稳定。这种星球叫做中子星。
　　如果太阳冷却后质量达到现在太阳的3.2倍（奥本海默-沃尔科夫极限），中子间的排斥力也不足以抵抗万有引力，星球将继续坍塌，形成黑洞。最为极端的情况，当质量大到引力冲破最后一道防线（这道防线的排斥力的名字暂时想不起来了，以后查到再补充），所有物质将不可避免地被压缩到一个点，这个点的大小是0！这是一个奇葩的状态，所以被叫做“奇点”（咳咳。。）。
　　回到正题，现在我们知道了，行星模型对于原子来说根本不靠谱，那么原子内部究竟是什么样的呢？还没有等到解决这个问题，又有了新的发现

　二十二、朝谁说理去！
　　要验证，仍然选取最简单的氢原子。还记得上面的氢原子光谱图吗？当时我们只关注了黑线之间是不连续的这一特点，现在回过头来仔细看一看，一定会发现这些黑线的排布是有着规律的。我们平常人也可以看出规律，比如越往右，线之间间隔的越窄。没错，这确实是规律，但这再一次验证了凯尔文所说：不能用数字表示根本算不上有所知。我们发现的这规律完全起不到用处嘛。现在就到了数学上场的时候了。
　　经过仔细的对数据的研究，他们发现任何一条线对应的频率值都可以用这个方式来表示(常数/某个整数的平方-常数/另一个整数的平方)。意思是我们任意取两个整数，比如5和13，带入括号的表达式，求出来的结果就对应于光谱中的一条黑线。
　　脑袋里有没有灵光一闪？没错，玻尔那看似没用的假设理论就起到作用了：我们知道他假设出来的每条轨道都对应一个能量值，电子轨道间跃迁时辐射的能量就是两个轨道的能量的差值。和上边的关系对比一下，完全一样,都是两个数相减嘛！所以每条轨道对应的能量即为上面所说的（常数/某整数的平方）！
　　于是就可以通过光谱的实验数据，标出氢原子都有哪些轨道，每个轨道对应的能量值是多少。
　　你德布罗意不是搞了一个轨道的模型吗？你不是可以通过你的模型计算出每个轨道的能量值吗(这个计算就是几个方程式的联合求解，如果感兴趣我会放在附注里，以免耽误大家阅读)？那好，把你的结果和由光谱数据求出来的结果对比一下，是真品还是赝品就立马清楚了！
　　德布罗意自然是又兴奋，又紧张，连睡都不能觉了，吃都不会饭了。二话不说就一顿计算，我勒个去！符合，完美符合！
　　你能朝谁说理去？就这么一顿哪也不挨着的胡思乱想竟然真给他成功了！
　　当然了，要想证明电子具有波动性，最好的证据还是波动性的最大特点：干涉、衍射。于是这位王子马不停蹄就去搞实验去了。
二十三、万物归一
　　
　　
　　
　　上中下三图分别是一束电子经过单孔、锐边、双缝后发生的衍射、干涉图样。是不是和光的非常相似？而衍射和干涉现象可以明确地证明电子具有波动性。
　　德布罗意王子成功了，靠着这个理论既获得了博士学位，又赢得了诺贝尔奖。可谓一箭双雕，一炮而红。
　　然而，对于整个物理学界来说，麻烦可更大了。本来是只有一个光搞不定，现在世间万物都成了和光一样的东西，具有波粒二象性。不过这样也好，只要找出一个模型能够同时解释波动性和粒子性，那么所有的问题就都解决了。
　　当然，原子的事情其实并没有结束，我们前边一直在强调说“最简单的氢原子”，那是因为对于复杂的原子，有很多问题还是没有解决。
　　虽然如此,我们回顾一下可以看到，量子理论已经越来越复杂，也越来越不可理解。正如牛顿的年代，越来越多的天文观测数据催生出统一的理论：牛顿运动定律一样，现在也迫切的需要一个统一的理论，一个能够解释所有问题的理论。这个理论被称为“量子力学”。
　　所以，现在的任务，既要解决尚未解决的问题，又要提出一个统一的“量子力学”。不得不说，那是一个灵感飞溅，群雄并起的年代。就在这个时候，出乎意料的是，几个年轻的小伙子站了出来，成了推动科学进步的生力军。
　　你敢相信吗？这一位，18岁的时候，刚刚中学毕业，凭借一封介绍信就直接去读研究生了。

二十四、风流带来的。。。。。。代价？不！灵感！
　　当人们对统一理论的期望越来越强烈的时候，有一个小伙子率先完成了这一壮举。他叫海森堡(或海森伯)。24的他于1925年底发表了自己的论文，创造了“矩阵力学”。他完全摒弃了物理实在的概念，而仅仅用数学公式描述物理变量之间的关系。虽然确实可以用作计算，但人们并不乐于接受这种和客观世界完全脱离的数学方式。
　　幸好，很快人们就有了另一个选择。
　　这事还得从德布罗意王子的电子波动说说起。就像在“附注一”中提到的，任何波都可以用一个状态量在某方向的传播来表示，比如水波是水面高低这个量的传播，绳子是绳子高度这个量的传播，电磁波是电磁场强的传播，而且全都可以给出该状态值的数学表达，也就是波动方程。你这个电子波又是个什么状态在传播呢？德布罗意并没有给出答案。于是一个奥地利的物理学家薛定谔在做该学说的讲座时就遭到了质问：“你说电子是一个波，那至少得有个波动方程吧？”薛定谔回答不上来，但这一件事激起了他寻找该方程的想法。
　　1926年1月，薛定谔的妻子留在家中，而薛定谔带着自己的情人去度假。是的，你没看错。而且人家全部一生都那么逍遥快活！人家还能和妻子、情人一块玩3P呢，咱们也就只有羡慕嫉妒恨的份!顺便一提，他和妻子白头到老。
　　言归正传，薛定谔度假归来马上就发表了他的波动方程：薛定谔方程。他没有给出这个方程是怎么推导出来的，后人只能从他的手稿中去尽量揣测推导过程，教科书中也一般直接给出这个方程，而不介绍推导过程。由此可以知道这个方程需要多大的灵感了吧？瞅瞅，情人是个宝，谁用谁说好啊！
　　按这个方程推算，确实满足德布罗意所阐述的波的状态。但是这还远远不足以让人接受。
　　不像水面、绳子的高低，电磁场强的大小这些都是实实在在的物理变量，薛定谔给出的波动方程用希腊字母Ψ表示的传播的状态值根本代表不了任何的物理含义。就像他的朋友和同事给他写的打油诗一样：
　　埃尔温用他的Ψ，
　　计算起来真灵通，
　　但Ψ真正代表什么，
　　没人说得清！
　二十五、上帝的骰子
　　
　　薛定谔试图给出自己的解释。他认为所有的波叠加起来形成的峰值（这个峰值被称为“波包”，如上图的尖峰所示）就是电子。而且他认为根本不存在什么电子跃迁，都是波的移动造成波包的移动，全都是一个连续的过程。然而这并不能让世人接受，因为通过计算，这个“波包”根本不能稳定存在，会以超过光速的形式消散。况且电子的跃迁是已经被证实的真实存在。
　　最后，德国物理学家玻恩给出了自己的解释。玻恩是量子力学的重要人物，他领导的哥廷根大学物理系足以和玻尔的哥本哈根研究所相提并论。而这个解释最终被主流接受，并成为“哥本哈根解释”的一部分。但是，这个主流里不包括爱因斯坦。
　　玻恩给出的解释是Ψ的平方代表概率,波动方程则是表示的这个概率的传播过程！比如电子在位置x处的Ψ的平方等于0.5，那么就代表当你观察这个电子的时候有50%的几率在此处观察到它。爱因斯坦正是反驳这个解释的时候说出了那句“我相信上帝不掷骰子”。
　　现在，就可以解释“波粒二象性”究竟是个什么东西了。光子、电子、质子、中子以及世间万物都是客观存在的粒子。但是这个粒子并不像我们所想的那样存于一个固定的位置，它可能存在于宇宙中任何一点，而存在于每一点的概率等于电子的波函数在该处的Ψ的平方，当它与外界发生关系时，它就按照这个概率分布随机出现在其中一点。
　　举个例子，一个电子，它的位置在A处的概率为50%,在B处的概率是30%,在C处的概率是20%，由于概率加起来等于1，也就可以知道它在宇宙中其他任意一处出现的概率都是0。于是，当我们观察这个电子时，就有50%的几率在A处看到，30%在B处，20%在C处看到它。注意，用了“观察”这个词容易让人误解为“唯心主义”，好像电子会随着我们的观察来改变自己的位置一样。其实并非如此，我们的“观察”是通过光与这个电子发生关系的结果，而当光照射时，电子就是50%在A，30%在B，20%在C被光照射到，然后才被我们观察到。所以即便我们不观察，电子与光发生作用也仍然是按照这个概率来进行。
　　所以世间万物，它的真实存在的状态就是“概率”。它并不真实地处在哪一点，而是处在一个蓄势待发的状态，当外界要与它发生关系时，它就按照概率选出一个值来回应。想象两个拳击手，他们离得远时，都保持起手式而不出拳，他们越走越近，近到一定距离（要发生关系）时，各自按照自己的习惯随机打出一拳。
　　现在，看着你眼前的任何一个物体，它其实并没有固定地处在某一个地方，而是可能处在全宇宙的任何一点，但是除了你看到的位置周围极小极小极小的范围的点之外，其他的点的概率是0。当一个光子与它发生关系，它就在这个极小极小极小的范围内选出一个位置来回应，这个光子与它发生关系后进入你的眼睛，在你的脑海中就得到一个这个物体的位置，由于这个范围极小极小极小，所以所有与它发生关系进入你的眼睛的光子都使你觉得它处在一个不变的位置。
　　也许有人还是觉得难以置信，既然它不与外界发生关系时没有处在任何地方，那它还是真实存在的吗？当然了，是真实的，它的真实性就是当任何外界与它发生关系时它都会表现出一个值来做回应，如果不是真实的，怎么会有这个回应呢？就像拳击手，他虽然没有出拳，但他仍然是一个真实的拳击手，我们之所以认为他是一个真实的拳击手，是因为有人打他时他会出拳。
　　现在,大家有什么想说的？

二十八、上帝给真理的房间上了锁
　　牛顿以前，我们从不敢奢望可以站在上帝的视角审视宇宙，看着天体看着自然都是那么神秘而不可知；自从牛顿定律问世，人类突然发现自己已经可以像上帝一样明白宇宙中的一切，可以预测宇宙中的一切。这种感觉持续了两百年，人类已经习惯了这个感觉，已经把这当做了理所当然。所以直到不确定原理以前，科学家不满足于概率描述，仍然在寻找准确描述和预测自然界的规律，但这个努力却屡屡碰壁没有进展。而海森堡，突发灵感，离开上帝的位置，重新站在人类的角度上进行审视，意识到了我们人类别管发现多么神奇的规律，都是要建立在观测客观世界的基础上。而一旦观测的活动受到限制，那么人类了解宇宙的能力也将受到限制。现在，我们之所以不能成功地了解宇宙的真理，正是因为我们的观测能力被限制了，而这个限制就是不确定原理。
　　上帝给真理的房间房间上了锁，把我们置之门外。这个锁就是不确定原理。这个锁的包装盒就是波粒二象性。
　　我们再拿抛硬币来举例说明。虽然我们仅仅能知道扔很多次的统计规律是一半正一半反，却并不能预言下一次是正还是反。但牛顿定律告诉我们，只要我们准确知道了出手高度，手的力度，风速，地面硬度等等所有的条件我们其实是可以预测下一次的硬币的反正的。但现在不确定定律告诉我们，高度、力度、风速等等条件我们不能同时得知，所以我们永远不可能准确预言下一次是正是反，只能知道次数极多时正反的次数基本相等。
　　为了更形象地说明，我们来想象一个机器。它有两只手和一些糖块，它会把糖块随机地分配在两只手里。但是存在着一个机关使得它每次只能有一只手被打开。每次打开手以后，它就会重新分配两只手里的糖块数。你能有办法知道这个糖块的总数吗？
　　那个使得打开一只手的机关就是不确定原理，而波粒二象性本身就可以证实这个机关的存在。糖块总数就是真理，就是上帝的秘密。
　　想想挺奇妙的，我们一直认为多少和大小都只是量的变化而已。然而，没想到大到宇宙的地步，光速的限制将局限我们的视野，小到原子的内部，不确定原理又将模糊我们的视线。就像恒星质量的大小将决定它最终变成白矮星、中子星或者黑洞一样，量变到一定地步总能引起质变。
　　所以我们需要悲观和失望吗？其实没有必要。毕竟我们能够来到这个门前看到这把锁已经是很大的成就了。同时虽然不能准确地观察量子，但我们可以预测它们的统计分布（数量很多时的分布情况）。还有，即便我们不知道原子的具体分布，我们也甚至可以用巨大的能量轰开原子，轰开原子核，轰开质子甚至轰开夸克。就像绳子被乱糟糟的缠在一块，即便我们不知道绳子缠绕的具体情形，我们也可以拿刀把它一刀切开。
　　而且，上了锁也未必就打不开不是吗？也许未来有像爱因斯坦一样的奇人可以做到也说不定呢。
　　我们说过海森堡首先创立“矩阵力学”，但人们更乐于接受薛定谔后创立的“波动力学”。海森堡因此事感到非常郁闷，非常排斥波动力学。他发现不确定原理后想要藉此机会重新提高矩阵力学的地位，没想到玻尔却想要用波动力学的方式来解释不确定原理，这令他感到不快，由此还引发了一些矛盾。
　　但这些小事不能影响哥本哈根宣布量子力学已经是一个完备的体系。宣布的场合是一个空前的科学盛会。爱因斯坦自然也在其中。在这场盛会上，爱因斯坦和玻尔的科学大论战也将拉开帷幕。
　　但是，在领略这精彩纷呈的论战之前，我们先来看两个有悖常理的现象。
　　友情提醒：楼主所说的上帝是指的宇宙终极规律的化身，并非宗教中人格化的神。谢绝歪解含义

继续啊！