物理世界奇遇记8

8量子台球

一天，汤普金斯先生在银行工作了一整天(他们正忙着完成房地产生意)。在回家的路上，他感到很累。这时，他碰巧经过一家酒吧，决定进去喝杯啤酒。一个杯子掉了，接着又是一个。很快，汤普金斯先生开始觉得有点醉了。酒吧后面有一个台球房，许多人围着中间的桌子打台球。他模模糊糊地记得他以前来过这里，当时一个年轻的同事带他来这里教他如何打台球。所以他走近桌子，开始专注于观察其他人如何演奏。突然，一件非常令人费解的事情发生了！一个人把一个台球放在桌子上，用球杆击打它。当观看滚动的台球时，汤普金斯先生非常惊讶地发现台球开始“散开”。“分散”这个词是他能找到的解释球的奇怪表现的唯一表达方式，因为当它在绿色地毯上滚动时，它似乎变得越来越模糊，失去了它的明确轮廓，好像它不是在桌子上滚动的球，而是许多部分相互重叠的球。汤普金斯先生不明白为什么现在会这样。“好吧，”他想，“让我们看看这个松散的球怎么打另一个球！”

打球的球员显然是个大师，所以正如人们所说，滚动的球击中了另一个球。这时，传来一声巨响。最初的固定台球和弹球(然而，汤普金斯先生不确定哪一个是前者，哪一个是后者)，两者都“向四面八方”快速滚动。这确实是一件非常奇怪的事情。现在看起来有点松动的不再是两个台球，而是似乎有无数个台球，所有的都非常模糊和非常松动，在原来撞击方向的180度范围内向内和向外滚动。这很像一个从撞击点向外延伸的独特的波浪。

然而，汤普金斯先生注意到，在最初的撞击方向，台球的流量最大。

“这是概率波的一个很好的例子，”一个熟悉的声音在他身后响起，汤普金斯先生认出教授在说话。

“哦，是你，”他说。“太好了。也许你可以向我解释这里发生了什么。”

“当然，”教授说，“这个台球房的主人在这里收集的东西都患有‘量子象牙病’，如果我可以这么说的话。是的，自然界中的所有物体都遵守量子定律，但是在这些现象中起作用的所谓量子常数非常非常小。事实上，它的大小是小数点后27个零，至少在一般情况下是这样。然而，对于这里的台球，这个常数要大得多——大约1。因此，你可以用自己的眼睛很容易地看到这个量子现象。通常，只有使用非常敏感和聪明的观察方法才能发现它。”说到这里，教授沉思了一会儿。“我不想做任何研究，”他继续说道，“但我想知道那家伙从哪里得到这些球的。严格地说，这样的球不可能存在于我们的世界中，因为量子常数对于我们世界中的所有物体来说都只有非常小的值。”

“也许他是从另一个世界引进的。”汤普金斯先生提醒道。

然而，教授对这一说法并不满意，他仍然持怀疑态度。“你注意到了，”他继续说道，“两个球都被‘分散’了。也就是说，他们在桌子上的位置不是很确定。事实上，你不能指出球的确切位置。你最多只能说球“基本上在这里”，但“它可能在别的地方”。

"这是一个非常不寻常的说法。"汤普金斯先生低声说道。

“恰恰相反，”教授坚持说，“这是绝对正常的——在某种意义上说，这总是发生在任何物体上。人们没有注意到这种不确定性，只是因为量子常数的值和一般的观测方法太粗糙了。他们得出了错误的结论，即位置和速度总是可以精确测量的。事实上，这两个量在某种程度上总是不确定的，一个测量得越精确，另一个就越分散和不确定。量子常数所起的作用正是它决定了这两个不确定量之间的关系。注意，现在我要把这个球放到三角形的木头框架里，并明确限制它的位置。”

一旦球被放入木制框架，三角形框架的内部充满了象牙白色的光。

“看，”教授说，“我已经把台球的位置限制在三角形框架的几分钟内。这在速度上造成了相当大的不确定性，因此台球在木制框架中快速移动。

“你能阻止它吗？”汤普金斯先生问道。

“不，从身体上来说，这是不可能的。封闭空间中的任何物体都有一定的运动——我们物理学家称之为零运动。例如，任何原子中的电子运动都属于这一类。

当汤普金斯先生像笼子里的老虎一样看着球在笼子里来回奔跑时，发生了非常不寻常的事情。球直接“漏”过三角形框架的墙壁，然后滚向桌子的远角。奇怪的是，它没有跳出三角形的框架，但是它穿过了没有缝隙的木墙，并且根本没有离开桌子。

“看到了吗？”教授说，“事实上，这恰好是量子理论最有趣的结果之一。任何东西，只要它的能量足够大，能在穿过墙后继续逃跑，你就不能把它关在一堵封闭的墙上。迟早，这个物体会“泄漏”并直接从墙上跑掉。

"如果是这样，我再也不会去动物园了."汤普金斯直截了当地说，他生动的想象力已经描绘出一幅老虎从笼子里“泄露”出来与狮子搏斗的画面。然后他的思想转向了一个稍微不同的方向:如果他的车也从锁得很好的车库里泄漏了呢？他想象着一辆锁在车库里的汽车，突然像一个中世纪传说中的老恶魔一样，“穿过”车库的墙壁冲了出来。

“我还要等多久，”他问教授，“才能看到一辆汽车——不是用这种骗人的材料制造的，而是真的用钢制造的——从车库的砖墙漏出来？我真的很想看一看！”

教授很快在脑子里计算了一下，并准备好了答案。“这将需要大约100万… 000年。”

尽管汤普金斯经常接触到银行业的大量数字，但他不确定教授提到的数字中有多少个零——反正这些数字已经足够长了，所以他不必担心自己的车会跑了。

“即使我相信你说的一切都是正确的，我仍然不明白如果我们这里没有这些台球，这些东西怎么能被观察到。”

“这是合理的反对意见，”教授说。“当然，我并不是说在那些你经常接触的物体上可以观察到量子现象。问题是，只有当量子定律适用于非常小的质量，如原子或电子时，它们的影响才会变得更加显著。对于这些粒子来说，量子效应如此之大，以至于普通力学已经完全失效。两个原子之间的碰撞看起来和你刚才观察到的两个量子象牙台球之间的碰撞完全一样。电子在原子中的运动和我放在三角形盒子里的台球的“零点运动”是一样的

“移动”非常相似。"

"电子经常从原子中逃逸吗？"汤普金斯先生问道。

“不，不，”教授迅速回答，“这不会发生的。你可能还记得我说过，一旦一个物体穿过屏障，一定有足够的能量逃跑。电子在原子核中携带的负电荷和质子的正电荷之间的静电引力作用下被固定在原子中。电子没有足够的能量来摆脱这种吸引力，所以它不能逃跑。如果你想看到粒子泄漏出去，那么我建议你观察重核。从某种意义上说，重原子核的行为就像阿尔法粒子。

“阿尔法粒子？那是什么？”

“由于某些历史原因，阿尔法粒子是氦原子核的名字。它由两个中子和两个质子组成，这种结合非常强:这四个粒子可以非常有效地“粘在一起”。正如我刚才所说的，由于α粒子的组合非常强，在某些情况下，重原子核的行为就像α粒子的集合体，而不是由单个中子和质子组成。尽管这些阿尔法粒子也在原子核的整个体积中运动，但它们被短程核引力保持在原子核的体积中，这种短程核引力将原子核结合在一起，至少在正常情况下是如此。然而，一个α粒子经常泄漏出来:它超出了核引力的范围，而核引力使它保持在核内。事实上，它现在只受到它自己的正电荷和它留下的其他阿尔法粒子的正电荷的影响。

之间的长程静电排斥效应。因此，现在这个阿尔法粒子被推出原子核。这是放射性原子核的衰变模式。你可以看到这个阿尔法粒子非常类似于你锁在车库里的车，除了那个。微粒泄漏的速度比你的汽车快得多！"

长谈之后，汤普金斯先生感到筋疲力尽，心烦意乱。漫无目的地四处张望。他的注意力被房间角落里的一个巨大的主钟吸引住了。它那长长的旧钟摆在慢慢地来回摆动。

“我想你对这个钟感兴趣，”教授说。“这也是一台不同寻常的机器，但现在已经过时了。这个时钟代表了人们最初对量子现象的想法。摆锤的安装使得摆动只能改变有限的次数。然而，现在所有的钟表匠都喜欢使用巧妙的扩散摆。”

“啊，我希望我能理解所有这些复杂的事情！”汤普金斯先生激动地说。

“太好了，”教授立即回应道，“我在去做量子演讲的路上拐进了这个酒吧，因为我从窗户看到了你。如果我不打算迟到，我现在就该走了。你想一起去吗？”

“好的，我去。”汤普金斯先生说。

像往常一样，报告厅里挤满了学生。虽然汤普金斯先生只能在台阶上找到一个座位，但他感到非常满意。

乔治·加莫夫