遠方有樹,結一果,落成宇宙。
如果以微觀粒子的角度看世界,我們的周圍會變得大不相同,因為周圍的一切物質都會以原子、中子的形式呈現在眼前,一般我們把電子和電子以下的中子、質子和離子都認為是微觀粒子。這樣說可能表述更清楚一些:我們把物質世界分為兩個尺度,被人熟知的太陽系、銀河系等天體存在於一個空間的叫做大宇宙;而將粒子、電子或中微子這些無法被人類肉眼觀察到的更小的微觀世界稱之為小宇宙。
如果說大宇宙是整個世界最大的展示舞臺,那麼小宇宙就是更加神秘的潘多拉魔盒,其中隱藏著許多形形色色的微觀粒子。無論二者是怎樣的差別,它們都是構成世界的最重要部分之一,畢竟當我們看慣了耀眼的星空,轉過身再望向更加深邃的微觀粒子世界時,會不會認為更加的令人震撼呢。
不少人感覺這些微觀粒子十分拗口,再加上對其不了解,很容易對這些理論產生枯燥的想法並將目光轉向宏大的宇宙。其實微觀世界也同樣有趣,每一顆原子都是一個「太陽系」,原子核仿佛太陽,中子和電子就是圍繞原子核運轉的「行星」。微觀世界也有許多有趣的現象,例如在原子的核外電子排布中需要遵循泡利原理,核外電子會先佔領能量最低的軌道,然後才會依次向高能量軌道行進。以氧原子為例,即使這些電子之間沒有絲毫差別也能看到它們排列整齊的一面,就像一群聽話的小朋友坐座位,只有當前排的作為坐滿才可以坐到最後一排。
不只是原子,泡利原理甚至在中子和質子中也同樣遵循,並且還提出了一個幾乎總結性的規律:一個原子中沒有任何兩個電子能夠擁有相同的量子態。我們可以將之理解為電子圍繞原子核的排列方式是螺旋狀的,並且每一個電子的後一個電子態都要更高一點,在排列緊密的同時又很整齊,就像銀河系的旋轉臂一樣富有美感。
泡利原理是量子力學中十分重要的基礎理論之一,它解釋了在一個原子中的兩個任意粒子位置發生互換後,其波函數將完全反對稱。由於這種對稱性在更早階段被認為是兩種量子態完全相同的粒子,但我們從核外電子排布順序可以看到一顆原子中根本不會存在量子態相同的粒子,泡利原理恰好解決了這一問題。
那麼泡利理論究竟有什麼用呢?通俗來講它在生活中幾乎沒有任何作用,就像數學中的三角函數一樣,泡利理論只是一種原理,是一種最基礎的證明。但它在量子力學中的作用極大,這種作用我們無法用語言特別形容,藉助牛頓的話比喻就是「我們只是站在巨人的肩膀上」,如果非要評價泡利理論,它可能就是那個「巨人」。