微觀世界有新規(guī)矩
眾所周知，微觀世界區(qū)別于宏觀世界的一個重要特征是量子化。就像日常生活中我們的動作是連貫性的，但在電影膠片中卻是一幅幅靜止的圖片，這就相當(dāng)于把我們的日常動作“量子化”了。在微觀世界里，原子是由原子核和核外電子組成的，原子核帶正電，電子帶負(fù)電，它們之間靠著電磁力相互吸引。按經(jīng)典物理學(xué)的看法，只要給電子合適的能量，它們就可以在原子核外的任意軌道上運(yùn)動;但事實是，電子的運(yùn)動只能局限于核外的一些固定的軌道上，除此之外，都是禁區(qū)。
一個典型例子是氫原子核外電子的軌道，其能量最低的軌道是-13.6電子伏特，第二條軌道能量為-3.4電子伏特。如果處于最低能量軌道的電子吸收了一個能量為10.2電子伏特的光子，那它就會跑到第二條軌道上去。那么，它如果吸收了能量為3.6電子伏特的光子，會不會跑到能量為-10電子伏特的軌道上去?對不起，-10電子伏特的軌道壓根兒就不存在，所以電子對于3.6電子伏特的光子壓根兒不吸收。這種現(xiàn)象說明電磁場是量子化的。
同樣的道理，強(qiáng)核力和弱核力也是量子化的。比如說，在原子核中，質(zhì)子和中子通過強(qiáng)核力結(jié)合在一起，由于強(qiáng)核力是量子化的，所以質(zhì)子和中子也只能在某些固定的軌道上運(yùn)動。
粒子在引力場中該聽誰的?
但粒子在引力場中運(yùn)動會如何呢?它們的運(yùn)動是不是也具有量子化的特征?這可誰都不知道，誰也不敢打保票。
為什么不知道?因為單個的微觀粒子質(zhì)量太小了，它們所受的引力我們在實驗中幾乎難以探測。
為什么不敢打保票呢?因為目前描述引力最成功的理論——愛因斯坦的廣義相對論跟量子力學(xué)幾乎水火不相容。比如說，廣義相對論把引力解釋為時空彎曲，引力是由質(zhì)量產(chǎn)生的，所以時空也完全由質(zhì)量決定，但按量子的不確定性原理，空間就像泡沫翻滾的大海，無數(shù)“泡沫”此起彼伏地冒出又消失，它們不受質(zhì)量的控制。
所以微觀粒子在引力場中的行為，究竟傾向于哪一方：就粒子方面而言，應(yīng)該傾向于量子力學(xué)，但就引力場方面而言，又應(yīng)該傾向于廣義相對論，所以沒人敢打保票。
愛因斯坦又輸啦!
但是2002年，美國物理學(xué)家用中子在引力場中做了一個實驗，對此給出了一個初步的回答。
他們從核反應(yīng)堆中引出一束中子，并把中子的速度降至8米/秒以下，相當(dāng)于中學(xué)生的百米速度。
在高真空中讓這束中子運(yùn)動，中子束的方向略微朝上，底下放一面非常光滑的鏡子。在運(yùn)動過程中，中子在重力作用下，紛紛掉到鏡子上，然后又反彈至空中。我們不妨把這些中子想像成從略微傾斜朝上的管子里吹出的一粒粒有彈性的塑料豆。它們反彈之后，升到一個最高點，然后再墜下來，再反彈。中子反彈后上升的最高點位置，物理學(xué)家可通過中子探測器確定。
根據(jù)我們在中學(xué)獲得的物理學(xué)知識，由于中子的質(zhì)量、地球引力和彈性都是一樣的，所以反彈的高度也應(yīng)該是一樣的。但實驗結(jié)果是，中子反彈的高度是不一樣的，但也不是隨意的，總是在固定在幾個高度上。我們不妨選取其中任意2個緊鄰的高度，高度1和高度2，反彈到高度1的中子和反彈到高度2的中子有很多，但在高度1和高度2之間的位置，卻一個中子也沒發(fā)現(xiàn)!這就說明，對于中子來說，它只“認(rèn)”高度1和高度2，高度1和高度2之間的位置對它來說是禁區(qū)?？梢姡瑢τ谝鲋械奈⒂^粒子，它們也并不是想怎么樣就怎么樣，而只能處于一些固定的勢能狀態(tài)。
這一現(xiàn)象用經(jīng)典物理學(xué)，包括廣義相對論都沒法解釋。但用量子力學(xué)倒是不難解釋的。根據(jù)波粒二象性，微觀粒子既是粒子又是波，粒子從鏡子上反彈，也就是波從鏡面反射;反射波與入射波要發(fā)生干涉，干涉之后幅度最大的地方，粒子出現(xiàn)的概率也最大。
這一實驗說明，微觀粒子在引力場中的運(yùn)動也具有量子的特征。倘若你有辦法拿起一粒中子，在真空中讓它做自由落體運(yùn)動，再假設(shè)你有辦法觀察它，那么你是不可能看到它全部的運(yùn)動軌跡的，只能階段性地看到它：譬如你只能在高度1或高度2上看到它，在高度1和高度2之間的那段距離，你是看不見它的。
所以，微觀粒子在引力場中的運(yùn)動遵循的是量子力學(xué)，而非廣義相對論。在與量子力學(xué)的較量中，愛因斯坦已經(jīng)不止輸過一次了，這一次又輸啦!
