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我们用字母i表示虚数,并把i定义为-1的平方根。
-4的平方根是i2,-9的平方根是i3,-16的平方根是i4,以此类推。
虚数看起来像骗人,但话又说回来,数学家经常创造一些概念,在科学家为这些概念创造用途之前,它们看起来毫无意义。
毕竟,有一段时间负数听起来很蠢,你能拿出-5个物体吗?
在这个意义上负数不是“真实的”
,我们不能够用手数出一个负数,但它们绝对是有用的。
电子的电荷与质子的电荷相互抵消,所以正负数是个很好用的系统。
同样,只有方程中包含虚数时,电子波函数才能成立。
如果薛定谔的方法有效(它确实有效),那么电子不仅在三维空间里绕原子核振动,还在一个虚构的维度里绕原子核振动。
大自然在搞什么鬼?
生而自由
德国物理学家马克斯·玻恩是第一个试图理解电子波函数真正含义的人。
玻恩被量子力学的随机性迷住了,这是海森堡不确定性原理的直接结果。
我们测量一个粒子,最终能确定它的位置、动量等性质(在海森堡极限内),但真正奇怪的是,由于这些性质在测量之前有点模糊,重复测量几次会得到不同的结果。
如果一遍又一遍重复某个经典的(普通的)实验,你会得到相同的结果。
让小球滚下斜坡,你很容易就能预测它会到达哪里。
在牛顿这样的人看来,世界上不存在真正的随机或偶然,只存在可预测的物理定律。
对经典物理学家而言,哪怕抛硬币的结果也不是随机的。
拇指施加的冲量、硬币在空中划出弧线的角度,以及它与地面的相互作用,都预示了硬币最终会哪一面着地。
如果有一台足够强大的电脑,并将所有的数据输入其中,你就可以准确地预测抛硬币的结果。
我们之所以把抛硬币当成随机的,唯一的原因是我们无法立刻完成这么多计算。
但量子力学不同,量子力学的结果似乎真的是随机的。
你也许听过这句格言:“疯狂就是犯同样的错却期待不同的结果。”
这句话常常被误认为是爱因斯坦说的(事实上它出自匿名戒毒会1981年印刷的小册子)。
[6]这是有道理的。
如果你一遍又一遍重复同样的事情,却期待不同的结果,那你该有多疯狂?就像量子物理学家那样疯狂。
以双缝实验为例。
一开始,你向双缝发射一束电子或质子或无论什么粒子,结果探测屏上出现了斑马条纹。
但你不可能提前知道,当一个粒子落在屏幕上时,它会出现在哪条条纹上—你只能基于概率来猜测。
粒子有40%的概率落在中央光带,有20%的概率落在两侧相邻的光带,有10%的概率落在次相邻的光带,等等(暂且记下这些数字)。
实际上,当你沿着轨迹掷出电子,会发现它的终点都不同。
海森堡不确定性原理迫使我们放弃预测未来的想法,让我们接受这样一个事实:事情的发生基于概率,优雅而疯狂的量子女神一时兴起的念头决定了一切。
在实际测量以前,粒子的位置是不精确的(粒子是不确定的),我们在测量时只能预测可能的位置,而不是确切的位置。
所以,玻恩决定计算电子波通过双缝时的薛定谔解,发现波的“振幅”
(波有多高)对应着我们熟悉的数字。
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