电子轨道是假的 04

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第三季第5篇

20世纪初，可谓是人类历史认知宇宙，认知世界的大革命，尤其是在物理方面，从爱因斯坦的相对论到薛定谔的波函数，从宇宙尺度再到原子微观，每一个角落都有人类值得骄傲的足迹。

1925年，德国物理学家海森堡鉴于玻尔原子模型存在的问题，比玻尔走得更远，抛弃了所有的原子模型，提出一个明确的指导原则：电子的轨道是不能被测量的，而谱线是可以测量的。

他着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化，利用矩阵数学，将三者从数学上联系起来，从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算（矩阵法则）来表示。他和玻尔等合作，从粒子的思维范式出发，建立了量子理论第一个数学描述——矩阵力学。

海森堡20岁的时候就和玻尔一起研究量子理论。他的矩阵力学描写了量子过程，同时还拿到了1932年的诺贝尔物理奖。

海森堡有一个著名实验原理，叫做“海森堡不确定性原理”。

而这个原理解释了一个现象，就是关于电子的测量问题，电子是不存在确定的位置和动量，电子行为是虚无缥缈的。

01 为什么电子的轨迹测不准

比如，你要画电子的轨迹图，一定首先要知道电子每时每刻的位置和速度，也就是动量，p=mv。

海森堡说，你不能同时精确知道一个电子的位置和动量。因为，电子在哪里，你必须使用光子去打，打击的效果怎么样，要看光的波长。波长越短，能量越高，这个时候你去打击电子，会把电子打飞，还测个毛线。

而如果用波长较长的光子去打，你也无法准备判断电子的位置。

所以，这是个悖论。

后来人们才知道，其实不是你的能力问题，而是电子本身的特点问题。

受普朗克常数的影响，电子根本就不能同时拥有确定的位置和动量。

02 电子的轨道

我们以为的电子轨道是这样的，中间是原子核，外面有几个电子做固定的圆周运动，其实这是瞎扯。

真正的电子图像是这样的——这就是我们熟知的电子云。而电子云的本质是电子在这团区域出现的概率。

所以不确定性是量子世界的本质！

03 爱因斯坦的质疑

爱因斯坦同意海森堡的测不准原理，即不能同时测出基本粒子的位置和动量，但他不承认这就意味着基本粒子在任何时候都没有确定的位置和动量。“上帝不掷骰子”是爱因斯坦一直质疑“不确定性原理”的原因所在，他厌恶这种“不确定性”。

他认为肯定还有更好的解释，甚至更完美、更完备的理论来解释这一切。爱因斯坦认为，量子力学只能给出概率，而常识却告诉我们，这背后显然存在着一种确定的实在。

而这一次他的观点彻底败了，至死不渝。

总结：

量子力学的出现，让经典物理学的大厦崩塌，其实这是时代发展必然会到来的一幕。在物理学的范畴里如何出现问题，就需要用新思想来认知宇宙，而不是旧守常规。

往期推荐