閒話量子‖太上老君爐與“黑體”,孫悟空與量子


閒話量子‖太上老君爐與“黑體”,孫悟空與量子

大神——理查德·費曼


理查德·費曼說,物理學家總保持對基本問題的興趣。在這一點上,物理學家非常像我們每個人——兒童時的我們,對萬事萬物充滿好奇,喜歡刨根究底。做父母的大都有過被自己的孩子問得煩躁不安的經歷。的確,對於我們身邊那些司空見慣的事,你真能說得清嗎?即使你能說出個一二三來,在其背後仍然深埋著許多問號。

物理學家就是一些沒有“長大”的人,是把兒童的好奇心一直保持下來的人。他們做的工作,就是從基本問題著手,一點點剖析,找出其背後的規律來。不斷深入,從一類現象規律的總結到更廣大現象規律的概括,直至抵進到一套能夠解釋整個宇宙的方程。

這個工作,人類尚未完成,所以我們先不要說得這麼遠,就讓我們從人人習以為常、熟視無睹的基本問題說起。

牛頓的主要成就是解決了運動是怎麼回事的問題——運動嘛,我們人人都知道,不是嗎?但是,牛頓總結出了不管是天上的星,還是地上一個下落的蘋果,都遵循的共同規律——受相互之間的引力的作用。中國的武俠小說中,經常寫邪教教主宣稱自己集天上地下於一尊,牛頓萬有引力定律是真的將天與地統一了起來。你說偉大不偉大?


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武林至尊


磁鐵能夠“隔空取物”,這是一個很神秘的現象。法拉第、麥克斯韋揭示了那是通過在空間中形成一個力場——磁場而發生作用的。這個磁場就是用磁鐵吸引鐵屑,鐵屑就自動構建出了磁場的形狀。表面上看,因為磁場有特定的形狀,所以它比引力難理解。然而,引力真的好理解嗎?不見的。不管你理解不理解,有一點是你不得不承認的——宇宙就是這樣安排的,你只能選擇接受它。當然,麥克斯韋更深入地揭示了,電場能夠產生磁場,磁場能夠產生電場,以及光是一種電磁波,從而將電、磁、光統一起來,實在是偉大的發現。


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如果忽略複雜的數學,理解物理學其實有一條捷徑——物理學的重要發現,多數都是先有想象力,後有數學推演的。為此,愛因斯坦就說,想象力比知識更重要。

比如,牛頓發現萬有引力定律,首先借助的是想象力。他想象一個蘋果之所以落到地上,是因為地球給它施加了拉力(運動的物體非有推力,則有拉力)。又想象,如果一個人站在山頂上,向遠處拋一塊石頭。由於慣性定律,如果扔出去的石頭不再受力作用,它會保持勻速直線運動,一直跑得沒影兒了。但它沒有,而是落到了地上,顯然是由於地球的拉力使它落下來了。如果力量足夠大,石頭會繞地球一圈落回原地。如果再大一些,它可能會繞著地球轉圈圈。然後,他就想到了月亮之所以會繞著地球轉,是不是因為地球引力的作用呢?也就是說,按月球的“本意”,它是要直直地往前飛的,由於地球的拉力,它才不得不做圓周運動。你看,此時的牛頓一點都不像個物理學家,反倒像個詩人。如此上天入地、跳躍性的思維,與詩人的思維何其相像?


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物理學家還提出過許多“孩子氣”的問題。比如,我站在地上,為什麼不會陷下去?玻璃杯放在桌面上,為什麼不會坍縮進桌子裡?為什麼你的手指可以捏住一本書,把它拎起來?這是最司空見慣的事了,很少有人會想到,它竟然是個問題。但是,如果你想到構成這一切的無非是原子,而原子雖然小得看不見,其實放大了看,它的絕大部分都是空隙,那麼,這就絕對是一個問題。

再比如,桌子上的一個杯子,也無非是一堆原子。可是,當我們只從一點上推動它時,所有這一堆原子又是怎樣“一起”被推動的呢?

這就涉及到原子的秘密。因為原子的外層都是電子層,電子和電子之間有斥力,它使物體相互分離。當我們坐在椅子上時,我們距椅子還有一埃,10-10米的距離。因此,坐在椅子上的我們,放在桌子上的杯子,其實都是懸浮在空中的!

我們推動一個杯子時,是首先接觸的原子產生波動,然後,將這個波動傳遞給其他原子,使得所有原子一起動起來。當然,這個波動是極微小的,我們的肉眼無法觀察到。但是,它最終產生的效應卻是巨大的——我們的眼睛能夠看到杯子移動了。

有趣吧?

有人還舉過這樣一個有趣的物理學例子:如何把5000噸水放到空中,而不給以任何支撐?答案是造一朵雲。


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這是物理學和文學的想象力的高度結合,是智性和美的統一。

理查德·費曼是一個傑出的量子物理學家,他不是每天都在做高深的數學題,也不是在操作機器試圖把原子打碎,甚至不是在終日思考那些奇奇怪怪的物理學符號之間的關係。他採取的物理學研究方式匪夷所思,既有點像詩人,又有點像畫家。詩人的方式——舉一個例子,他經常想,如果他是電子,他會怎麼運動?把電子擬人化了。而且後來,他居然終於想明白了(後面有機會再介紹他怎樣想明白的)。畫家的方式——最典型的無過於他創造的費曼圖(以後也會介紹),用一堆像兒童畫一樣,不,比兒童畫還幼稚的圖形講清楚了亞原子粒子之間是怎樣“相處”的,即怎樣相互發生作用。費曼是一個真正用想象力顛覆了物理學的天才。在這個世界上,如果誰能夠與費曼做朋友(費曼已經去世),並且理解他的物理世界的話,一定是最幸福的人,因為他會帶你進入一個真實的量子的童話世界。

這一樁樁事例,讓我深感振奮。我從中看到了科學與文學的相通之處,科學家並不是怪咖,不是天外來客,不是異種怪獸,他們的思維與我們普通人本質上並無不同。至於他們的數學思維,不過是後天訓練的結果。正因如此,我雖不懂數學,卻也可以在一定程度上理解物理學,也可以講述,並且是用文學的方法來講述。

下面就讓我嘗試一例,讓孫悟空幫忙解釋最深奧的一個概念——量子。

有一天吃早飯時,我問正在讀初一的女兒,《西遊記》讀到哪兒了。她回答,讀到孫悟空從太上老君的老君爐裡逃出來,把老君爐打爛了。

我說,我能夠用太上老君的老君爐來講量子力學。

在很久以前,燒陶的工人就觀察到一種現象:隨著爐溫的變化,爐內的陶坯的顏色也在變化。

她立即說,是不是有一個公式能夠描述這種變化的規律?

我立即向她豎起了大拇指:你想對了。但是這個過程可不容易。

我們都知道,顏色的本質是電磁波的不同波長。可見光有不同的波段,按波長由高到低,依次是紅橙黃綠青藍紫。也就是說,可見光的一頭是紅色,另一頭是紫色。在紅色光之外,還有波長更長的光,我們的肉眼看不見,叫紅外線。相應的,紫色光一端之外,也有波長更短的光……

紫外線。她立即答道。

對。我高興地說,你看物理學家給一個概念取名字,有時是很簡單、很形象的,只要你願意學,就會發現它們並不是絕對複雜的。

光有不同的波長,還有不同的頻率。我一邊做手勢,一邊說,就是振動得快慢。

長波長的光,振動慢,頻率就低。我把手做出慢悠悠地波動的動作。

短波長的光,振動快,頻率就高。我的另一隻手做出快速波動的動作。

還有,光帶著能量。太陽一出來,我們就感覺熱,就是因為光有能量。

因此,物理學家最終要找到的是,光的波長、頻率與能量分佈之間的關係式。

為此,一部分人(實驗物理學家)在實驗室裡拿溫度計等儀器來測量,另一部分人(理論物理學家)則進行理論推算。

實驗物理學家為了儘可能精確地測量出上述關係來,需要造一個“爐子”。我小的時候,農村不管用生鐵打造的燒煤的爐子,還是用磚頭泥坯壘的燒柴草的泥灶,都有一個共同的要求——儘可能少通過爐壁散發熱量。物理學家對他們的爐子也有同樣的要求,而且要求更高。他們理想中的“爐子”是有一個小孔,熱量通過這個小孔進去,爐子的內壁能夠把熱量全部吸收,而一點都不散發出來。他們稱這樣的爐子叫“黑體”——因為不散發熱量,也就是不發光,它看上去是黑的。

絕對的“黑體”自然是造不出來的,如果有誰能造出的話,我只能想到太上老君——這是隻有神仙才能幹到的事,煉上乘的仙丹自然需要上乘的工具,“黑體”熱效率是最高的。

因此,我設想太上老君製造出了一個絕對的“黑體”——老君爐。老君爐的下部有一個小孔,底下架上火,熱量源源不斷地順著小孔進入老君爐內部,一點都不會散出,爐內的溫度持續上升。齊天大聖孫悟空被關在裡面,一直烤了七七四十九天,卻毫髮無傷,在開爐的瞬間一躍而出,將老君爐打成一堆碎瓷片。

何以老君爐烤不化孫悟空?對此太上老君百思不得其解。後來孫悟空被如來佛祖壓到五行山下後,太上老君便撥冗前去探望,名為探望,實則想解答積於心中的疑惑。

互道久闊,寒暄已畢。

太上老君:大聖呀,想我那老君爐是古往今來世間獨一無二之物,後人再想造出熱效率這麼高的爐子,那是絕無可能。可惜竟被你毀了,現如今,我再也造不出了。

孫悟空:老頭,我知道你此番不是來找我老孫討還老君爐的,是想知道何以我在你的爐裡沒有被烤化,沒有被你煉成丹的。

太上老君:正是,正是,大聖有未聞先知之明。想我那老君爐煉過世間千萬妖魔,你是第一個煉不化的。求教,求教。


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孫悟空:要說,如果你早來個一兩百年,這個問題我也解答不了。幸好,現在我已想明白了。壓在五行山下,震日無事,我便好好參究了一下萬物之理。老頭,我先問你一個問題,你聽沒聽人家聰明人說過“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”(注:語出《莊子·天下篇》。棰是一種短木棍,經常用來擊馬,後用於杖刑,有棰楚一語。)這樣一句話?

太上老君:聽過的,聽過的。是我的徒孫莊周說的(注:太上老君即老子)。只是與我的老君爐有何關係?

孫悟空:若果如此,我們世間萬物都無限可分,永無窮盡了?

太上老君:或許,應該,可能吧……

孫悟空:老頭,別打官腔,是就是是,不是就是不是。知之為知之,不知為不知,是知也。什麼或許、可能的?錯了!

太上老君愕然:哪兒錯了?

孫悟空:一尺之棰,不能無限可分。

太上老君:老朽不明白。

孫悟空:若要無限可分,就需要無限細小的刀子。因為,不能有無限細小的刀子,就不能切得無限細小。而且,還得有無限細小的尺子,否則也不能測量。可是,無限就是無,就是不可再認識,則無限也就無意義了。

太上老君:……

孫悟空:要想知道無限細小的顆粒有多小,就需要用比無限細小還要細小的尺子來量,可是量無限小的東西,哪來的無限小的尺子?這聽著就是胡話,不通之至。

太上老君沉吟著,似有所悟:有理……有理……可是,我仍然不明白,這與我用老君爐煉你有何關係?


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孫悟空:我們的身體(以至世間萬物)表面上是“實“的,其實是空的。它們都由原子構成(這你不懂),原子和原子之間是有空隙的,原子內部也基本是空空蕩蕩的,中間聚著原子核,還飄著些電子呀什麼的。所以,我們的身體看上去是密實的,但若你能看得足夠小,就會發現它是像網一樣的。

太上老君剛想開口:我……

孫悟空便打斷他:我知道你不懂,沒關係,聽明白了就行。我們都見過掛在風中的旗子。一面好好的新旗子被風吹上幾天,就有了洞。概因它本來就有洞,正因為有洞所以風能夠穿過它,把洞颳得越來越大,直至破成了條條。如果它原本絕無洞,是絕對密實的,則風永遠不能刮碎它。民間俗謂蒼蠅不叮無縫的蛋,亦與之同理。概因世間萬物都不是連續的,都是有空子可鑽的。你爐子裡的熱量也不是持續不斷地傳播的,不是不可分的。那熱量就是電磁波(呸,呸,這你也不懂,要再過一千多年,人類才能搞明白),電磁波有長波,有短波,短波振動快,能量就大;長波振動慢,能量就小。它們也是一粒一粒傳播的。你皮糙肉厚,感覺不到。我神通廣大,其中一項本事就是能夠把身體縮得極小。當我的身體縮得極小,身上的空洞也被壓縮得極小了,爐子裡的熱粒子就不容易把我的身體擊穿、擊碎,自然就傷不著我。非但傷不著我,那時的我坐在你的老君爐裡,感覺著熱量傳到我身上,就像一粒粒小雨滴擊打過來,只算是給老孫撓癢癢。

太上老君尷尬地:大聖就會開玩笑……

孫悟空:如果熱量不是可以分成最小份,就會分成無限小。無限小的波,振動無限慢,就會帶有無限大的能量。那時,它們比我身上的網孔還要小,我非被你化成粒子不可,可不遂了你把我煉成丹的心願了。

太上老君紅著臉:大聖呀,你真不愧齊天之名,好有學問呀!

孫悟空:其實這也不全是我自己想出來的,是我神遊到一千年後,從人類的物理學家那裡偷聽來的。我也只是一知半解,說得不全面,現在還有許多東西並未琢磨清楚。但我聽說,過幾天,觀音菩薩就要派一個和尚來救我出去,讓我保他去西天取經。屆時,只恐沒有時間再參究量子力學了。

太上老君:大聖,小仙愛莫能助,只好就此告辭了。

孫悟空:老頭,忘記告訴你了,他們說的萬物都是以不連續的顆粒狀存在的,就是“量子”,它有許多怪異的效應……

然而,太上老君已經飛得沒影了,並沒有聽到孫悟空最後的話。

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