深層分析量子世界的規則,雖然詭異但使得人類乃至萬物的存在成為可能

深層分析量子世界的規則，雖然詭異但使得人類乃至萬物的存

在成為可能！

從宏觀尺度到亞原子尺度，基本粒子的尺寸在確定復合結構的尺

寸方面起著很小的作用。構建塊是否真正是基本的和/或點狀粒子仍然

未知，但我們確實從大型宇宙尺度到微小的亞原子尺度理解宇宙。

看看地球上的一切。如果你要調查任何對象的構成，你可以將它

細分為逐漸變小和變小的塊。所有生物都是由細胞組成的，細胞又由

一系列復雜的分子組成，這些分子本身是由原子縫合在一起的。原子

本身可以進一步分解：原子核和電子。這些是地球上所有物質的組成

部分，就此而言，是我們在宇宙中所知道的所有正常物質。

它可能會讓你想知道這是怎么發生的。由原子核和電子組成的原

子如何產生不到100種，它們會產生分子，物體，生物以及我們發現

的其他一切的巨大多樣性？我們應該得到一個被低估的量子規則的答

案：泡利除外原則。

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原子軌道處于基態（左上角），隨著你向右然后向下進化，下一

個最低能量狀態。這些基本配置決定了原子如何表現和施加原子間力。

當我們大多數人想到量子力學時，我們會想到宇宙在最小尺度上

我們大多數人幾乎沒有再考慮泡利排除原理，該原則簡單地說明

在同一系統中沒有兩個相同的費米子可以占據相同的精確量子態。

大不了吧？

實際上，這不僅是一件大事; 這是最重要的。當Niels Bohr首先推

出他的原子模型時，它很簡單但非常有效。通過將電子視為圍繞核運

行的行星狀實體，但僅在明確的能量水平上由直接的數學規則控制，

他的模型再現了粗糙的物質結構。當電子在能級之間轉換時，它們發

射或吸收光子，這反過來描述了每個單獨元素的光譜。

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當自由電子與氫原子核重新結合時，電子會向下級聯能級，隨著

它們的發射發射光子。為了在早期宇宙中形成穩定的中性原子，它們

必須達到基態而不產生潛在的電離紫外光子。原子的玻爾模型提供了

能量水平的過程（或粗略或粗略）結構，但這已經不足以描述幾十年

前所見過的東西。

如果不是保利排除原則，我們在宇宙中所遇到的問題就會以一種

截然不同的方式表現出來。你看，電子是費米子的例子。每個電子基

本上與宇宙中的每個其他電子相同，具有相同的電荷，質量，輕子數，

輕子族數和內在角動量（或自旋）。

如果沒有泡利不相容原理，那么可以填充原子的地面（最低能量）

狀態的電子數量就沒有限制。隨著時間的推移，在足夠涼爽的溫度下，

這就是宇宙中每一個電子最終會沉入的狀態。最低能量軌道 - 每個原

子中的1s軌道 - 將是唯一包含電子的軌道，它將包含每個原子固有的

電子。

你拿第二個電子并試圖將它放在那里，它就不能具有與前一個電子相

同的量子數。電子，除了它們自身固有的量子特性（如質量，電荷，

輕子數等）外，還具有特定于它們所處的束縛態的量子特性。當它們

與原子核結合時，包括能級，角動量，磁量子數和自旋量子數。

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電子能量表示中性氧原子的最低可能能量構型。因為電子是費米

子而不是玻色子，所以即使在任意低溫下它們也不能全部存在于地

（1s）狀態。這是阻止任何兩個費米子占據相同量子態的物理學，并

且阻止大多數物體抵抗重力坍縮。

原子中能量最低的電子將占據最低（n = 1）能級，并且沒有角動

量（l = 0），因此磁量子數也為0。然而，電子的旋轉提供了第二種

可能性。每個電子的自旋都是1/2，原子中能量最低（1s）的電子也

是如此。

當你添加第二個電子時，它可以具有相同的自旋但是朝向相反的

方向，有效旋轉為-。這樣，你可以將兩個電子裝入1s軌道。之后，

它已經滿了，你必須進入下一個能級（n = 2）才能開始添加第三個電

子。2s軌道（其中 l = 0）也可以容納另外兩個電子，然后你必須轉到

2p軌道，其中 l = 1并且你可以有三個磁量子數：-1,0或 1并且每個

都可以保持電子旋轉 或-。

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每個軌道（紅色），每個p軌道（黃色），d軌道（藍色）和f軌

道（綠色）每個只能包含兩個電子：一個旋轉，一個旋轉。

泡利不相容原則 - 以及我們擁有宇宙中的量子數的事實 - 是每個

原子都有自己獨特的結構。當我們向原子中添加更多的電子時，我們

必須達到更高的能量水平，更大的角動量，以及越來越復雜的軌道，

以便為所有這些物質尋找家園。能量水平如下：

最低（n = 1）能級僅具有s軌道，因為它沒有角動量（l = 0）并

且可以僅保持兩個（自旋 1/2和-1）電子。

第二（n = 2）能級具有S-軌道和p-軌道，因為它可以具有0（角

動量=0），這意味著可以有軌道的2S（其中你有旋轉 和電子），兩

個電子和2p軌道（磁數為-1,0和 1，每個都保持自旋 和電子），保持

六個電子。

第三個（n = 3）能級有s，p和d軌道，其中d軌道的角動量為

2（l = 2），因此可以有五種可能的磁數（-2， -因此，除了3s（其中

包含兩個電子）和3p（其中包含六個電子）軌道之外，還可以保持總

共十個電子，即0， 1， 2）。

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能級和電子波函數對應于氫原子內的不同狀態，盡管所有原子的

配置極其相似。能量水平以普朗克常數的倍數量化，但軌道和原子的

大小由基態能量和電子質量決定。額外的影響可能很微妙，但可以以

可衡量的，可量化的方式改變能量水平。

在這個重要的量子規則下，元素周期表上的每個原子將具有與每

個其他元素不同的電子配置。因為它是最外殼中電子的特性決定了它

所屬元素的物理和化學性質，所以每個原子都有自己獨特的原子，離

子和分子鍵，它能夠形成。

沒有兩個元素，無論多么相似，在它們形成的結構方面都是相同

的。這就是為什么我們可以用幾種簡單的原料來形成多少種不同類型

的分子和復雜結構的可能性的根源。我們添加的每個新電子必須具有

與它之前的所有電子不同的量子數，這改變了原子將如何與其他一切

相互作用。

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原子連接形成分子的方式，包括有機分子和生物過程，只有因為

控制電子的泡利排除規則才有可能。

最終結果是，當與任何其他原子結合形成化學或生物化合物時，

每個單獨的原子提供了無數的可能性。原子可以組合在一起的可能組

合沒有限制; 雖然某些配置肯定比其他配置更有利，但是自然界中存在

各種能量條件，為形成即使是最聰明的人也難以想象的化合物鋪平了

道路。

但是原子這種行為的唯一原因，就是我們可以通過組合它們來形

成那么多奇妙的化合物，就是我們不能將任意數量的電子放入同一量

子態。電子是費米子，而泡利未被充分認識的量子規則阻止任何兩個

相同的費米子具有相同的精確量子數。

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白矮星，中子星甚至奇怪的夸克星都仍然由費米子組成。泡利簡

并壓力有助于阻止所有恒星殘余物抵抗重力坍塌，防止形成黑洞。

如果我們沒有泡利不相容原理來阻止多個費米子具有相同的量子

態，我們的宇宙將會完全不同。每個原子都具有和氫幾乎相同的性質，