闲话量子‖太上老君炉与“黑体”,孙悟空与量子


闲话量子‖太上老君炉与“黑体”,孙悟空与量子

大神——理查德·费曼


理查德·费曼说,物理学家总保持对基本问题的兴趣。在这一点上,物理学家非常像我们每个人——儿童时的我们,对万事万物充满好奇,喜欢刨根究底。做父母的大都有过被自己的孩子问得烦躁不安的经历。的确,对于我们身边那些司空见惯的事,你真能说得清吗?即使你能说出个一二三来,在其背后仍然深埋着许多问号。

物理学家就是一些没有“长大”的人,是把儿童的好奇心一直保持下来的人。他们做的工作,就是从基本问题着手,一点点剖析,找出其背后的规律来。不断深入,从一类现象规律的总结到更广大现象规律的概括,直至抵进到一套能够解释整个宇宙的方程。

这个工作,人类尚未完成,所以我们先不要说得这么远,就让我们从人人习以为常、熟视无睹的基本问题说起。

牛顿的主要成就是解决了运动是怎么回事的问题——运动嘛,我们人人都知道,不是吗?但是,牛顿总结出了不管是天上的星,还是地上一个下落的苹果,都遵循的共同规律——受相互之间的引力的作用。中国的武侠小说中,经常写邪教教主宣称自己集天上地下于一尊,牛顿万有引力定律是真的将天与地统一了起来。你说伟大不伟大?


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武林至尊


磁铁能够“隔空取物”,这是一个很神秘的现象。法拉第、麦克斯韦揭示了那是通过在空间中形成一个力场——磁场而发生作用的。这个磁场就是用磁铁吸引铁屑,铁屑就自动构建出了磁场的形状。表面上看,因为磁场有特定的形状,所以它比引力难理解。然而,引力真的好理解吗?不见的。不管你理解不理解,有一点是你不得不承认的——宇宙就是这样安排的,你只能选择接受它。当然,麦克斯韦更深入地揭示了,电场能够产生磁场,磁场能够产生电场,以及光是一种电磁波,从而将电、磁、光统一起来,实在是伟大的发现。


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如果忽略复杂的数学,理解物理学其实有一条捷径——物理学的重要发现,多数都是先有想象力,后有数学推演的。为此,爱因斯坦就说,想象力比知识更重要。

比如,牛顿发现万有引力定律,首先借助的是想象力。他想象一个苹果之所以落到地上,是因为地球给它施加了拉力(运动的物体非有推力,则有拉力)。又想象,如果一个人站在山顶上,向远处抛一块石头。由于惯性定律,如果扔出去的石头不再受力作用,它会保持匀速直线运动,一直跑得没影儿了。但它没有,而是落到了地上,显然是由于地球的拉力使它落下来了。如果力量足够大,石头会绕地球一圈落回原地。如果再大一些,它可能会绕着地球转圈圈。然后,他就想到了月亮之所以会绕着地球转,是不是因为地球引力的作用呢?也就是说,按月球的“本意”,它是要直直地往前飞的,由于地球的拉力,它才不得不做圆周运动。你看,此时的牛顿一点都不像个物理学家,反倒像个诗人。如此上天入地、跳跃性的思维,与诗人的思维何其相像?


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物理学家还提出过许多“孩子气”的问题。比如,我站在地上,为什么不会陷下去?玻璃杯放在桌面上,为什么不会坍缩进桌子里?为什么你的手指可以捏住一本书,把它拎起来?这是最司空见惯的事了,很少有人会想到,它竟然是个问题。但是,如果你想到构成这一切的无非是原子,而原子虽然小得看不见,其实放大了看,它的绝大部分都是空隙,那么,这就绝对是一个问题。

再比如,桌子上的一个杯子,也无非是一堆原子。可是,当我们只从一点上推动它时,所有这一堆原子又是怎样“一起”被推动的呢?

这就涉及到原子的秘密。因为原子的外层都是电子层,电子和电子之间有斥力,它使物体相互分离。当我们坐在椅子上时,我们距椅子还有一埃,10-10米的距离。因此,坐在椅子上的我们,放在桌子上的杯子,其实都是悬浮在空中的!

我们推动一个杯子时,是首先接触的原子产生波动,然后,将这个波动传递给其他原子,使得所有原子一起动起来。当然,这个波动是极微小的,我们的肉眼无法观察到。但是,它最终产生的效应却是巨大的——我们的眼睛能够看到杯子移动了。

有趣吧?

有人还举过这样一个有趣的物理学例子:如何把5000吨水放到空中,而不给以任何支撑?答案是造一朵云。


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这是物理学和文学的想象力的高度结合,是智性和美的统一。

理查德·费曼是一个杰出的量子物理学家,他不是每天都在做高深的数学题,也不是在操作机器试图把原子打碎,甚至不是在终日思考那些奇奇怪怪的物理学符号之间的关系。他采取的物理学研究方式匪夷所思,既有点像诗人,又有点像画家。诗人的方式——举一个例子,他经常想,如果他是电子,他会怎么运动?把电子拟人化了。而且后来,他居然终于想明白了(后面有机会再介绍他怎样想明白的)。画家的方式——最典型的无过于他创造的费曼图(以后也会介绍),用一堆像儿童画一样,不,比儿童画还幼稚的图形讲清楚了亚原子粒子之间是怎样“相处”的,即怎样相互发生作用。费曼是一个真正用想象力颠覆了物理学的天才。在这个世界上,如果谁能够与费曼做朋友(费曼已经去世),并且理解他的物理世界的话,一定是最幸福的人,因为他会带你进入一个真实的量子的童话世界。

这一桩桩事例,让我深感振奋。我从中看到了科学与文学的相通之处,科学家并不是怪咖,不是天外来客,不是异种怪兽,他们的思维与我们普通人本质上并无不同。至于他们的数学思维,不过是后天训练的结果。正因如此,我虽不懂数学,却也可以在一定程度上理解物理学,也可以讲述,并且是用文学的方法来讲述。

下面就让我尝试一例,让孙悟空帮忙解释最深奥的一个概念——量子。

有一天吃早饭时,我问正在读初一的女儿,《西游记》读到哪儿了。她回答,读到孙悟空从太上老君的老君炉里逃出来,把老君炉打烂了。

我说,我能够用太上老君的老君炉来讲量子力学。

在很久以前,烧陶的工人就观察到一种现象:随着炉温的变化,炉内的陶坯的颜色也在变化。

她立即说,是不是有一个公式能够描述这种变化的规律?

我立即向她竖起了大拇指:你想对了。但是这个过程可不容易。

我们都知道,颜色的本质是电磁波的不同波长。可见光有不同的波段,按波长由高到低,依次是红橙黄绿青蓝紫。也就是说,可见光的一头是红色,另一头是紫色。在红色光之外,还有波长更长的光,我们的肉眼看不见,叫红外线。相应的,紫色光一端之外,也有波长更短的光……

紫外线。她立即答道。

对。我高兴地说,你看物理学家给一个概念取名字,有时是很简单、很形象的,只要你愿意学,就会发现它们并不是绝对复杂的。

光有不同的波长,还有不同的频率。我一边做手势,一边说,就是振动得快慢。

长波长的光,振动慢,频率就低。我把手做出慢悠悠地波动的动作。

短波长的光,振动快,频率就高。我的另一只手做出快速波动的动作。

还有,光带着能量。太阳一出来,我们就感觉热,就是因为光有能量。

因此,物理学家最终要找到的是,光的波长、频率与能量分布之间的关系式。

为此,一部分人(实验物理学家)在实验室里拿温度计等仪器来测量,另一部分人(理论物理学家)则进行理论推算。

实验物理学家为了尽可能精确地测量出上述关系来,需要造一个“炉子”。我小的时候,农村不管用生铁打造的烧煤的炉子,还是用砖头泥坯垒的烧柴草的泥灶,都有一个共同的要求——尽可能少通过炉壁散发热量。物理学家对他们的炉子也有同样的要求,而且要求更高。他们理想中的“炉子”是有一个小孔,热量通过这个小孔进去,炉子的内壁能够把热量全部吸收,而一点都不散发出来。他们称这样的炉子叫“黑体”——因为不散发热量,也就是不发光,它看上去是黑的。

绝对的“黑体”自然是造不出来的,如果有谁能造出的话,我只能想到太上老君——这是只有神仙才能干到的事,炼上乘的仙丹自然需要上乘的工具,“黑体”热效率是最高的。

因此,我设想太上老君制造出了一个绝对的“黑体”——老君炉。老君炉的下部有一个小孔,底下架上火,热量源源不断地顺着小孔进入老君炉内部,一点都不会散出,炉内的温度持续上升。齐天大圣孙悟空被关在里面,一直烤了七七四十九天,却毫发无伤,在开炉的瞬间一跃而出,将老君炉打成一堆碎瓷片。

何以老君炉烤不化孙悟空?对此太上老君百思不得其解。后来孙悟空被如来佛祖压到五行山下后,太上老君便拨冗前去探望,名为探望,实则想解答积于心中的疑惑。

互道久阔,寒暄已毕。

太上老君:大圣呀,想我那老君炉是古往今来世间独一无二之物,后人再想造出热效率这么高的炉子,那是绝无可能。可惜竟被你毁了,现如今,我再也造不出了。

孙悟空:老头,我知道你此番不是来找我老孙讨还老君炉的,是想知道何以我在你的炉里没有被烤化,没有被你炼成丹的。

太上老君:正是,正是,大圣有未闻先知之明。想我那老君炉炼过世间千万妖魔,你是第一个炼不化的。求教,求教。


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孙悟空:要说,如果你早来个一两百年,这个问题我也解答不了。幸好,现在我已想明白了。压在五行山下,震日无事,我便好好参究了一下万物之理。老头,我先问你一个问题,你听没听人家聪明人说过“一尺之棰,日取其半,万世不竭”(注:语出《庄子·天下篇》。棰是一种短木棍,经常用来击马,后用于杖刑,有棰楚一语。)这样一句话?

太上老君:听过的,听过的。是我的徒孙庄周说的(注:太上老君即老子)。只是与我的老君炉有何关系?

孙悟空:若果如此,我们世间万物都无限可分,永无穷尽了?

太上老君:或许,应该,可能吧……

孙悟空:老头,别打官腔,是就是是,不是就是不是。知之为知之,不知为不知,是知也。什么或许、可能的?错了!

太上老君愕然:哪儿错了?

孙悟空:一尺之棰,不能无限可分。

太上老君:老朽不明白。

孙悟空:若要无限可分,就需要无限细小的刀子。因为,不能有无限细小的刀子,就不能切得无限细小。而且,还得有无限细小的尺子,否则也不能测量。可是,无限就是无,就是不可再认识,则无限也就无意义了。

太上老君:……

孙悟空:要想知道无限细小的颗粒有多小,就需要用比无限细小还要细小的尺子来量,可是量无限小的东西,哪来的无限小的尺子?这听着就是胡话,不通之至。

太上老君沉吟着,似有所悟:有理……有理……可是,我仍然不明白,这与我用老君炉炼你有何关系?


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孙悟空:我们的身体(以至世间万物)表面上是“实“的,其实是空的。它们都由原子构成(这你不懂),原子和原子之间是有空隙的,原子内部也基本是空空荡荡的,中间聚着原子核,还飘着些电子呀什么的。所以,我们的身体看上去是密实的,但若你能看得足够小,就会发现它是像网一样的。

太上老君刚想开口:我……

孙悟空便打断他:我知道你不懂,没关系,听明白了就行。我们都见过挂在风中的旗子。一面好好的新旗子被风吹上几天,就有了洞。概因它本来就有洞,正因为有洞所以风能够穿过它,把洞刮得越来越大,直至破成了条条。如果它原本绝无洞,是绝对密实的,则风永远不能刮碎它。民间俗谓苍蝇不叮无缝的蛋,亦与之同理。概因世间万物都不是连续的,都是有空子可钻的。你炉子里的热量也不是持续不断地传播的,不是不可分的。那热量就是电磁波(呸,呸,这你也不懂,要再过一千多年,人类才能搞明白),电磁波有长波,有短波,短波振动快,能量就大;长波振动慢,能量就小。它们也是一粒一粒传播的。你皮糙肉厚,感觉不到。我神通广大,其中一项本事就是能够把身体缩得极小。当我的身体缩得极小,身上的空洞也被压缩得极小了,炉子里的热粒子就不容易把我的身体击穿、击碎,自然就伤不着我。非但伤不着我,那时的我坐在你的老君炉里,感觉着热量传到我身上,就像一粒粒小雨滴击打过来,只算是给老孙挠痒痒。

太上老君尴尬地:大圣就会开玩笑……

孙悟空:如果热量不是可以分成最小份,就会分成无限小。无限小的波,振动无限慢,就会带有无限大的能量。那时,它们比我身上的网孔还要小,我非被你化成粒子不可,可不遂了你把我炼成丹的心愿了。

太上老君红着脸:大圣呀,你真不愧齐天之名,好有学问呀!

孙悟空:其实这也不全是我自己想出来的,是我神游到一千年后,从人类的物理学家那里偷听来的。我也只是一知半解,说得不全面,现在还有许多东西并未琢磨清楚。但我听说,过几天,观音菩萨就要派一个和尚来救我出去,让我保他去西天取经。届时,只恐没有时间再参究量子力学了。

太上老君:大圣,小仙爱莫能助,只好就此告辞了。

孙悟空:老头,忘记告诉你了,他们说的万物都是以不连续的颗粒状存在的,就是“量子”,它有许多怪异的效应……

然而,太上老君已经飞得没影了,并没有听到孙悟空最后的话。

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