如果费米子不遵从泡利不相容原理人类将不可能出现.docx
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1、导读:可能大家会觉得标题有的危言耸听,但事实就是这样的。读完下面的文章,你就会懂。全文6200多字。阅读完需要20分钟。第十四章:如果费米子不遵从泡利不相容原理,人类将不可能出现!泡利不相容原理,在量子力学中是个常被提到的理论,那么该理论讲了什么? 在量子世界中更深层次的含义又是什么? 我们一起来看看。在量子力学里,泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)表明,两个全同的费米子不能处于相同的量子态。这原理是由沃尔夫冈泡利于1925年通过分析实验结果得到的结论。例如,由于电子是费米子,在一个原子里,每个电子都拥有独特的一组量子数n,m,ml,ms。,两个电子各自拥有的
2、一组量子数不能完全相同,假若它们的主量子n ,角量子数m,磁量子数ml分别相同,则自旋磁量子数ms必定不同,它们必定拥有相反的自旋磁量子数。换句话说,处于同一原子轨道的两个电子必定拥有相反的自旋方向。全同粒子是不可区分的粒子,按照自旋分为费米子、玻色子两种。费米子的自旋为半整数,它的波函数对于粒子交换具有反对称性,因此它遵守泡利不相容原理,必须用费米狄拉克统计来描述它的统计行为。费米子包括像夸克、电子、中微子等等基本粒子。玻色子的自旋为整数,它的波函数对于粒子交换具有对称性,因此它不遵守泡利不相容原理,它的统计行为只符合玻色-爱因斯坦统计。任意数量的全同玻色子都可以处于同样量子态。例如,激光产
3、生的光子、玻色-爱因斯坦凝聚等等。泡利不相容原理是原子物理学与分子物理学的基础理论,它促成了化学的变幻多端、奥妙无穷。2013年,意大利的格兰沙索国家实验室团队发布实验结果,违反泡利不相容原理的概率上限被设定为4.710-29。费米子的自旋为半整数;描述两个全同费米子的总波函数对于粒子交换具有反对称性。因此,两个费米子在同一个量子系统中永远无法占据同一量子态,这称为泡利不相容原理。这并没有涉及到任何位势,并没有任何作用力施加于它们本体,这纯粹是从无法区分全同粒子而产生的一种量子性质,在经典物理学里,找不到类似性质。费米子包括像夸克、电子、中微子等等基本粒子,另外,由三个夸克结合形成的亚原子粒子
4、,像质子、中子等等,也都是费米子。它们必须用费米狄拉克统计来描述它的统计行为。原子是一种复合粒子,原子到底是费米子还是玻色子,必需依总自旋而定。例如,氦-3的总自旋为1/2,它含有两个自旋相反的质子、一个任意自旋的中子、两个自旋相反的电子,所以它是费米子;而氦-4的总自旋为0,它含有两个自旋相反的质子、两个自旋相反的中子、两个自旋相反的电子,所以它是玻色子。泡利不相容原理主导原子的电子排布问题,从而直接影响到日常物质的各种性质,从大尺度稳定性至原子的化学行为。1913年,尼尔斯玻尔提出关于氢原子结构的波尔模型,成功解释氢原子线谱,他又试图将这理论应用于其它种原子与分子,但获得很有限的结果。经过
5、漫长九年的研究,1922年,玻尔才又完成关于周期表内各个元素怎样排列的论述,并且建立了递建原理,这原理给出在各个原子里电子的排布方法每个新电子会占据最低能量空位。但是,玻尔并没有解释为什么每个电子层只能容纳有限并且呈规律性数量的电子,根据最小能量原理,所有系统都趋向于最低能量态,因此所有束缚于原子的电子应该都被同样排列在最低能量的电子层。任何理论的诞生,都不是简单容易的,泡利不相容原理也是这样的。泡利于1918年进入慕尼黑大学就读,阿诺索末菲是他的博士论文指导教授,他们经常探讨关于原子结构方面的问题,特别是先前里德伯发现的整数数列2,8,18,32每个整数是对应的电子层最多能够容纳的电子数量,
6、这数列貌似具有特别意义。1921年,泡利获得博士学位,在他的博士论文里,他应用玻尔-索末非模型来研讨氢分子离子H2+问题,因此他熟知旧量子论的种种局限。毕业后,泡利应聘在哥廷根大学成为马克斯玻恩的得意助手。后来,玻尔邀请泡利到哥本哈根大学的玻尔研究所工作,专注于研究原子谱光谱学的反常塞曼效应。在这段时期,他时常怏怏不乐,并且漫无目标地徘徊在哥本哈根市区内的大街小巷,因为反常塞曼效应给予他很大的困扰,他无法解释为什么会发生反常塞曼效应,这主要是因为经典模型与旧量子论不足,埃尔温薛定谔的波动力学与维尔纳海森堡的矩阵力学还要等几年才会出现。泡利只能够分析出当外磁场变得非常强劲时的案例,即帕邢-巴克效
7、应(Paschen-Backer effect),由于强外磁场能够破坏自旋角动量与轨道角动量之间的耦合,因此问题变得较为简单。这研究对于日后发现泡利原理具有关键性作用。隔年,泡利任职为汉堡大学物理讲师,他开始研究电子层的填满机制,他认为这问题与多重线结构有关。按照那时由玻尔带头的主流观点,因为原子核具有有限角动量,才会出现双重线结构。泡利对此很不赞同,1924年,他发表论文指出,因为电子拥有一种量子特性,碱金属才会出现双重线结构(如右图所示,在无外磁场作用下得到的钠D线是典型的双重线结构),这是一种无法用经典力学理论描述的“双值性”。为此,他提议设置另一个量子数,这量子数的数值只可能是两个数值
8、中的一个。从光谱线分裂的数据,爱德蒙斯通纳(Edmund Stoner)最先给出各个原子的正确电子排布。他在1924年发表论文提议,将电子层分成几个电子亚层,按照角量子数ldisplaystyle ell l,每个电子亚层最多可容纳 2(2ell +1)个电子。斯通纳指出,在处于外磁场的碱金属原子里,角量子数为ldisplaystyle ell 的价电子的能级会分裂成displaystyle 2(2ell +1)个能级。从这篇论文,泡利找到解释电子排列的重要线索,泡利敏锐地查觉到解决问题的关键思路。1925年,泡利发表论文正式提出泡利原理,以禁令的形式表示如下:原子里面绝对不能有两个或多个的电
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