量子力学番外篇1：物理学家的冷笑话
有的人把物理学家当成不近人情的人，有的人把物理学家当成充满悲情的殉道者，我觉得那些形象太可怕了。物理学家只是一些探索者，也许比普通人更纯粹一些。
说几个量子物理学家的趣闻典故。
物理学家整天思考抽象和怪异的事物，能进行冷酷无情的计算，发明匪夷所思的理论，但是他们并不是另一种生物。他们也有喜怒哀乐，也有傲慢与偏见，只不过思路跟一般人可能有点不一样……
了解了物理学家的行为规律，也许会更同情他们。
1.生活中的物理学思维
物理学家喜欢把各种事物都量化分析。在哥本哈根的一次聚会上，狄拉克提出一个关于美女的理论。他说欣赏女性，一定存在一个最佳的距离 d。距离太远什么都看不清，所以 d ≠ ∞；距离太近了就会看到脸上的皱纹和瑕疵，所以 d 也不能太小 —— 那么 d 必定是无穷远到 0 之间的一个数值。
当时伽莫夫正好在场，他问狄拉克，你观察过女性的最近距离是多少？狄拉克用手比量了大约两英寸的一个距离，说“大概这么近”。
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另有一次，狄拉克和一个朋友散步。朋友身上带着一个药瓶，一边走一边发出药在里面碰撞的声音，朋友对此表示歉意。狄拉克想了想说：“我认为药瓶半满的时候发出的声音最大。”有物理学家对此分析说，狄拉克的思路跟美女理论是一样的：空瓶显然没有声音，太满了也没什么声音……
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狄拉克除了物理学之外几乎不关心其他任何东西，也没什么娱乐，但是玻尔爱好看电影，尤其是好莱坞西部片。不过玻尔有时候会质疑剧情的真实性。
有一次玻尔说，一个姑娘独自在野外行走，失足跌下悬崖，她立即抓住一块石头……在这个危机关头正好有个牛仔路过，救下了姑娘……这种事情发生的概率应该很小，但我也能理解 —— 可是从概率角度，怎么能那么巧，就在同一时刻，旁边正好有个摄影师，把这一切记录下来呢？
还有一次，玻尔的一个学生说，电影中总是坏人先拔枪、英雄后拔枪，但是英雄却是先开枪，这不合理。对此玻尔认为，因为英雄没有罪恶感，所以拔枪速度更快。
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玻尔研究所的学生们除了给原子轨道分类，也给哥本哈根的姑娘们分了类，总共分五类 ——
1. 你完全忍不住要看；
2. 你很想看，但是可以做到不看；
3. 你看不看都无所谓；
4. 你看了会感到不如不看；
5. 你想看都看不下去
同样的标准也适用于电影。如果认定是第五类电影，他们就会离开电影院。
2.专注
如果说物理学家相对于普通人有什么超能力的话，我认为其中一项必定是专注。
而专注的表现是心不在焉。
有一次玻尔参加一个人家里的聚会，每个人都有一杯酒，但是别人忘了给玻尔的酒杯里倒酒。玻尔一边跟人谈论自己的原子理论，一边拿起空杯来喝酒。他喝了三次之后，旁边一个朋友再也看不下去了，说“你在喝什么啊？”
玻尔这才看了看酒杯，说“我也奇怪呢，这酒怎么一点味道都没有。”
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狄拉克也是一个经常心不在焉的人，不过他认为自己的症状并不是最严重的。在七十岁生日宴会上，狄拉克分享了数学家希尔伯特的一个故事。
有一天希尔伯特散步的时候遇到了实验物理学家詹姆斯·弗兰克，就说“你妻子也像我妻子一样卑鄙吗？”弗兰克不知道如何回答是好，就问“你妻子做什么了？”
希尔伯特说：“我今天早上才十分偶然地发现，她给我的早点，居然是不加鸡蛋的 —— 天知道这种事情已经发生了多少次了。”
3.“泡利效应”
传说中，理论物理学家都“克”实验仪器。他们要是出现在实验室，就会有仪器莫名其妙地坏掉。而这个理论物理学家的水平越高，克仪器的效应就越明显。杨振宁就曾经被人说“哪里有杨振宁，哪里就有爆炸”。因为这样的事最经常发生在泡利身上，人们称之为“泡利效应（Pauli effect）” 。
人说泡利走进哪个实验室，哪个实验室就会出事。发现电子自旋的那个“斯特恩-盖拉赫”实验里的实验物理学家斯特恩，因为十分迷信泡利效应，正式禁止了泡利进入自己的实验室。
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1948年，苏黎世的荣格学院搞开幕典礼，邀请泡利参加。泡利一进门，桌子上一个装满水的瓷器花瓶就无缘无故地掉到地上摔碎了。1950 年泡利访问普林斯顿大学，人们在他到来之前就有点担心泡利效应。结果泡利刚到，普林斯顿的回旋加速器装置就着火了。
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还有一次，实验物理学家弗兰克，在哥廷根大学做实验。在没有任何迹象的情况下，他的一个复杂装置突然坏了。弗兰克很懊恼，不过他写信给泡利说，这次至少不是你的原因。结果没过几天泡利回信，说他那天坐火车从苏黎世去哥本哈根，火车在哥廷根车站停了一会儿，好像正好是实验装置坏掉那个时刻。
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人人都知道了泡利效应，有几个年轻物理学家就想恶搞一下泡利。在一次学术会议上，几个人设计了一个装置，在会议室的门上安装了导线，只要一推开门，就能发出爆炸的声音。他们精心安排好，泡利果然到来，推门而入……但是什么也没发生。原来那几个人测试了好多遍的装置，居然坏了！泡利效应再次得到印证。
4.傲慢
很多物理学家有强烈的自豪感，泡利大概是最自信的一个。
泡利的前妻是一个舞蹈演员，跟泡利离婚之后嫁给了一个化学家。泡利听说之后感到很惊讶，对一位朋友说：“她要是嫁给一个斗牛士，我还能理解。嫁给化学家？”
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泡利总是给人直言不讳的批评。有人曾经听到他在讨论中如此对玻尔说话：“别说了！别犯傻了！”玻尔保持了温和和克制，说：“但是，泡利你听我说，……”泡利说：“不，我不听！这是胡说，我不想再多听一个字。”
有一次朗道 —— 这位可是苏联最厉害的物理学家，是天才人物 —— 在会议上发言，也被泡利打断。朗道想要解释，泡利说：“朗道，不用了！你出去想想吧！”
大家都对此表示容忍，并且把泡利视为“物理学的良心”。
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但是人们也会编排泡利几句。泡利晚年很想知道为什么一个叫做“精细结构常数”的物理参数是 1/137，他没有找到答案。他最后在苏黎世住院的病房号码正好是 137。人们据此在泡利逝世后编了一个笑话。
泡利见到上帝，上帝问他有什么要求。泡利请求上帝解释一下精细结构常数为什么是 1/137。上帝就把证明写在纸上给他看。泡利看完之后说：“这是错误的！”
5.谦逊
不过大多数物理学家都是非常谦逊的，他们只是有时候很反感庸常的琐事，不愿意被人当成什么模范。
1954年，有感于社会对科学家骚扰过多，爱因斯坦给一个杂志写信说：“如果我能再次年轻，在当前环境下，为了保持一定的独立性，我宁可去当个水管工……”后来芝加哥市水管工协会给了爱因斯坦一个会员资格。
还有一次，一个诗人采访爱因斯坦，说你是怎么工作的？爱因斯坦说我每天早上散步……诗人说，那你是不是随身带着一个小本本，随时记录思想？爱因斯坦说：“不，我不这样。你不知道，产生思想的时候很稀少。”
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狄拉克得知自己得了诺贝尔奖之后，因为不愿意变成公众人物，一度打算拒绝领奖。卢瑟福告诉他，如果你拒绝诺贝尔奖，你会引起公众更多的关注，狄拉克才同意领奖。
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玻尔研究所的讨论气氛非常民主。有一次玻尔去苏联朗道的研究所访问，有人问他，建设世界一流的研究所，有什么经验能告诉我们吗？玻尔说：“也许是我不惧怕在学生面前显露我的愚蠢。”
但是苏联翻译把这句话翻译错了，说成了“我惧怕在学生面前显露愚蠢”……对此有人评价说，这恰恰是两个研究所的差别啊。
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费曼曾经在洛斯阿拉莫斯国家实验室工作过，参与设计原子弹。当时玻尔也在，玻尔是物理学家中的大人物，被视为神一样的存在，费曼只是一个小字辈。玻尔开讨论会的时候，费曼只能坐在后排角落里，完全不引人注意。
但是有一天，玻尔的儿子打电话给费曼，说玻尔要单独跟他聊。费曼说你是不是搞错了，我只是费曼。玻尔儿子说没错就是你。
费曼见到玻尔，玻尔立即说：“关于增加爆炸威力，我有个想法是这样的，你看行不行……”
费曼说：“这不行，你看……”
玻尔又说：“那这样行不行？比如说……”
费曼说：“这个好一些，但是也不太行……”
两人就这样讨论了两个小时，期间各种争论，费曼毫不畏惧。讨论到最后总算有了点眉目，玻尔说：“现在我们可以把大头头们叫来讨论了。”
事后玻尔的儿子告诉费曼，玻尔之所以点名要跟费曼单独聊，是因为他注意到，费曼是讨论会上唯一一个不怕他的人。
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费曼得了诺贝尔奖之后感到为盛名所累，干什么都不自由。他做物理学报告会有很多外行来听，人们只是想见见诺贝尔奖得主，费曼不知道怎么讲才能让这帮人满意。
有一次，学生组织的物理俱乐部又请费曼作报告，费曼想了个办法。他让学生们编造一个不知名的教授名字和一个不太吸引人的题目。
报告的海报是：“华盛顿大学的亨利·沃伦教授将于 5 月 17 日 3 点在D102教室做关于质子结构的报告。”
当天下午，费曼出现在讲台上。费曼说：“沃伦教授临时有事来不了，他打电话问我能不能替他讲。我正好也做了一点这方面的工作……”
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有的人把物理学家当成不近人情的人，有的人把物理学家当成充满悲情的殉道者，我觉得那些形象太可怕了。物理学家只是一些探索者，也许比普通人更纯粹一些。
量子力学番外篇2：这个宇宙的物理学并不完美，而这很值得庆祝
绝对的完美不行 —— 因为“什么都没有”才是最完美的！留下几个小到不能再小的漏洞，才有了这个多姿多彩的世界。
一个物理学的最新进展。我们这个宇宙里的物理学有个怪异的性质，让物理学家感到……怎么说呢？有点不自在。
考虑这么一个问题。比如说，有一个物理学家，他从来不直接观看这个世界，他总是通过一面镜子观察世界，他看到的一切物理现象都是真实世界的镜像。那你说，这个物理学家总结出来的物理定律，跟我们总结的物理定律是一样的吗？
这是一个很怪的问题，你可能会说为什么要思考这样的问题？确实，物理学家原本以为这根本就不是个问题。镜像里的世界当然应该跟我们是一样的：热气一样往高处走，水一样往低处流，牛顿定律和爱因斯坦相对论、包括量子力学从来都没有过关于“左”和“右”的规定，左右都一样，对吧？当然大多数人都是右撇子，但那只是一个文化习惯，跟物理定律没关系。把任何一个视频节目通过镜子看，你要不说，谁也看不出来里面的物理学过程有什么不对的地方。
但是在 1956 年，有两个来自中国的年轻人 —— 一个叫杨振宁，一个叫李政道 —— 说，镜子里的物理学，应该跟真实世界里的物理学不一样。他们这个说法解决了困扰当时物理学界的一个谜，这个解法实在太离奇了，除了他们两个谁也没往这个角度想。然后过了不到一年，另一个中国人 —— 吴健雄女士 —— 做实验证明了他们的理论。杨李二人据此拿到了诺贝尔物理学奖。
杨振宁和李政道的获奖发现是，“弱相互作用的宇称不守恒”。这句话是什么意思。
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“宇称”，简单地说就是镜像对称性，英文叫 Parity，用字母 P 表示。一般的物理定律都是“宇称守恒”的，也就是说在镜子里看没区别。吴健雄要证明镜子里的物理学跟我们的物理学不一样，她不可能走到镜子里去做实验，但是她可以弄两个互为镜像的装置。
在杨李二人的建议下，吴健雄选择了考察 钴-60 原子核的衰变。吴健雄用磁场控制原子核，并且把温度降到接近绝对零度，这样原子核的姿态很稳定。在一个装置里，吴健雄让钴-60原子核“左旋”，也就是绕着自身左转，而另一个装置则是“右旋”，这样两个装置正好互为镜像。
先多说几句这个左旋和右旋是什么意思。想象一个粒子正在一边沿直线前进、一边绕着自身旋转，如下图 ——
现在伸出你的右手，做一个挑大拇指的手势。用你的大拇指指向粒子前进的方向，这时候如果你的其余四个指头环绕，指尖的方向正好是粒子自旋转动的方向，那么我们就说这个粒子具有“右手征（right chirality）”，也叫“右手性”。反之，则是左手性。这个手势跟在中学学的那个“右手螺旋定则”很相似。
右手性和左手性，正好互为镜像 ——
现在吴健雄弄了一堆右手性的钴-60 原子核和一堆左手性的钴-60 原子核，看看它们的衰变有什么不同。
钴-60 原子核会衰变成一个镍-60原子核、一个电子、一个反电子中微子和两个光子。而吴健雄的实验结果中，那个电子出来以后，有一个明显倾向的方向 —— 而这个方向，不是镜像对称的。让原子核衰变的都是弱相互作用。而吴健雄的实验证明，弱相互作用在“左”和“右”之间，有一个明显的倾向性。左右不平等。
据说这个结果让泡利火冒三丈，他说这绝不可能，实验应该重做！但是泡利说的没用，镜子里的世界就是不一样。
事后人们有进一步分析，弱相互作用之所以宇称不守恒，应该是跟中微子有关系 —— 我们这个世界里的中微子总是左手性的，反中微子总是右手性的。
这就是杨振宁、李政道和吴健雄当年那个工作的意义。下次看电影的时候，你要想知道胶片是不是放反了，有一个绝对好使的办法：你看看电影里的中微子是不是左手性的。
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当然肉眼根本看不见中微子。中微子可能是最奇特的基本粒子。它们非常非常轻，质量几乎就是 0 但也不是绝对等于0，反正因为太轻了现在还没测出来到底有多轻。它们以接近光速的速度在宇宙中穿行，到哪都几乎是穿墙而过，几乎不跟任何物质发生相互作用 —— 但也不是绝对不发生相互作用，它参与引力和弱相互作用，否则我们就探测不到它们了。
中微子有三种，分别是“电子中微子”、“μ子中微子”和“τ子中微子”，再算上它们各自的反物质，也可以说一共有六种。这些名称你现在都不用管，中微子有个奇特的性质值得说一说。
中微子会自己改变类型。比如一个来自太阳的电子中微子，在漫长的宇宙空间中行走，没有任何东西干扰它 —— 它走着走着，就变成了一个 μ子中微子。然后这个μ子中微子走着走着，又变成了一个τ子中微子，或者变回了电子中微子。这就好像一只猫走着走着就变成了狗，狗走着走着变成了兔子：三种动物互相之间都能变。
没人能彻底说清中微子为啥会这样。这个现象叫做“中微子震荡”。
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中微子总是左手性的，反中微子总是右手性的，所以宇称不守恒。物理学家对这件事儿感到很不安，这完全不符合直觉！于是有人提出一个新的对称性。
如果我们把这个世界里的东西变换到镜子世界的同时，再把每一种粒子，都变成它的反粒子，这不就对称了吗？这个世界里的中微子总是左手性，镜子里的世界的反中微子总是右手性，这不很和谐吗？
每一种物质都有它的反物质。电子带负电，反电子带正电；质子带正电，反质子带负电。反物质的质量什么的各种物理参数都跟物质一样，唯一区别就是把电荷的正负号反过来……以及中微子的自旋不一样。物质变反物质，这个操作可以叫做 “C变换”：C 是电荷（charge）的意思。
那么物理学家这个猜想就是，宇称，也就是 P，虽然不守恒，那 CP 联合起来，总该守恒了吧？
但是大自然再次给了物理学家一个意外答案—— CP 也不守恒。1964 年，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇发现，在K介子衰变这个弱相互作用的过程中，CP 也被破坏了。这个发现也得了诺贝尔奖。
现在物理学家只好又退一步，在C和P之外又加上了一个 T —— 也就是时间反演变换。物理学家有充分的理由相信，如果把宇称左右颠倒一下、把正反物质互换、同时再把电影倒着放，那么那个世界里的物理定律应该跟我们这个世界是完全一样的。这叫做“CPT对称”。
CPT，目前来说，是守恒的。
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讲这些对称性有什么意义呢？意义就在于，它事关我们这个宇宙中的万事万物，为什么会存在。
因为 CP 不守恒。
正反物质是不能在一起的，一碰到一起就会发生湮灭，变成光子，所有的质量都成了光子的能量。如果你在实验室里制造了一点反质子或者反电子，你需要非常小心地保管它们，比如说用磁场把它们约束在空间中 —— 它们一旦跟普通的质子和电子接触，就会发生爆炸。
知道了这一点，现在设想一下，假如这个宇宙的物理定律是 CP 守恒的，会发生什么？CP 守恒意味着反物质除了手性跟正物质不一样，其他都一样。
而在宇宙最初起源的时候，并没有任何粒子存在。粒子们是大爆炸开始一万亿分之一秒之后，才出现的。先不管能让粒子们无中生有的物理定律是什么 —— 既然 CP 守恒，正物质和反物质是对称的，你这个定律每生产一个正物质粒子，就应该相应地产生一个反物质粒子，不偏不倚，对吧？
而正反物质粒子产生之后就会立即发生碰撞，彼此湮灭！那么这个结果就应该是不管你生产了多少正反粒子，它们也是正好一半一半，最后就应该全部互相湮灭掉，只剩下一大堆光子！
换句话说，如果物理定律是 CP 守恒的，我们这个宇宙里应该只有光子。
应该很庆幸，物理定律不是 CP 守恒的。
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物理学家测算，要想让宇宙是今天这个样子，宇宙大爆炸期间每生产十亿个反粒子，应该生产十亿零 1 个正粒子。正粒子只比反粒子多这么一点点。而就是这一点点，最终积累下来，才使得我们这个宇宙里现在到处都是正粒子，而几乎没有反粒子剩下来。
换句话说你身上每一个粒子都是当初十亿分之一的幸存者。现在从对称性角度再想想，这意味着物理定律是高度CP守恒的 —— 只有那么一点点不守恒，才恰好允许万事万物存在。
万事万物，是因为物理定律不是绝对完美的，才导致的产物。
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那这一点点CP不守恒，是多大的一点点呢？到底是哪个方程的不守恒导致的呢？现在还不知道。
1964 年发现的K介子衰变、和后来发现的B介子都包含CP不守恒，但是物理学家计算认为，这两个机制的贡献还不够。必须继续寻找别的CP不守恒的东西。现在物理学家盯上了中微子。
有人猜想，中微子震荡这件事儿，对正中微子和反中微子是不一样的。现在世界上至少有三个超级中微子实验装置正在准备探测这件事，分别是日本的“顶级神冈”（Hyper-K）、中国江门中微子实验（JUNO）装置和美国“深部地下中微子实验”（DUNE）。这些实验的基本原理就是从一个地方分别发射一束正μ子中微子和一束反μ子中微子，看看它们变成电子中微子的比率是不是一样的。
一个新消息，是日本的顶级神冈刚刚运行起来，就发现了正中微子比反中微子略微*胜出*的证据。
不过要想定论，还得等精度更高的实验做出来再说。会在十年之内的某一天再次听到有关中微子的新闻，而你应该意识到，那可是事关万事万物为什么存在的大事……
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对称是美的。直觉上总觉得物理定律应该满足完美的对称性，所以世界才会如此井井有条……而殊不知，绝对的完美也不行 —— 因为“什么都没有”才是最完美的！留下几个小到不能再小的漏洞，才有了这个多姿多彩的世界。
