科学家的脸书狂想

　 以为读的是科学 其实是人生 Chapter01 癫 狂 人不青春枉少年， 回顾喜恋的甘与苦 01 不确定性原理 那天不小心跟朋友混太晚，回到家的时候已经快12点了，我已经抱着必死的心态想该怎么安抚女友，没想到一打开门，女友竟然笑眯眯拿着新买的衣服跟我分享。但另一天，我只是瘫坐在沙发上玩电动，女友却大发雷霆开始跟我吵架，可是我没有做错什么事呀，我想我永远不会懂女生在想什么…… “海森堡不确定性原理”，在量子力学系统中，一个运动粒子的位置和它的动量不可被同时确定，位置的不确定性（Δx）和动量的不确定性（Δp）是不可避免的，这两个值的乘积永远不会小于（h/4π）（h为普朗克常数），这些误差对于人类来说虽然很微小，但是在原子研究中却不能忽略。 由于电子的位置仅能用概率的函数来表示，因此，人无法准确预测下一秒电子的位置。 维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 1901.12.5—1976.2.1 出生于德国 海森堡是物理学家，也是量子力学重要的奠基者之一，并提出了著名的“海森堡不确定性原理”。 海森堡在1920年前往慕尼黑大学学习物理，后来转学到格丁根大学跟随马克斯·玻恩（Max Born）学习（玻恩是1954年诺贝尔奖得主）。1924年获得了一笔奖学金，让他得以与哥本哈根大学的物理系主任，也是当时颇负盛名的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）一同展开研究，研究内容大部分人可能没听过，但却是后来量子力学根基的“矩阵力学”。 这只是开始，紧接着在1927年，海森堡发表了举世闻名的“海森堡不确定性原理”，让过往发展千年的古典物理学摇摇欲坠，开启了近代物理学的篇章。“海森堡不确定性原理”就是指你永远无法同时精准地确定粒子的位置与动量。海森堡曾想用比较浅显的例子说明：想知道粒子特别精确的位置就得用波长更短的光来“照射”，然而波长越短能量就越强，也就更会改变粒子的动量，所以永远都会顾此失彼（当然不尽正确）。 玻尔也帮忙协助海森堡修正他的论述：“这样的解释等于承认粒子有客观的位置和动量，只是我们无法精确测量出来；如此一来还是未脱古典物理的观念，事实上，原本就没有精确的位置与速度，所以粒子才有波粒二象性。”海森堡这才了解不确定性并非测量的误差，而是万物的本质。问客观事实是什么毫无意义，只有观测者所量得的结果才有意义。 1932年，海森堡因为“创立量子力学以及由此导致的氢的同素异形体的发现”而荣获诺贝尔物理学奖。他对物理学的主要贡献是提出了矩阵力学、不确定性原理、S矩阵理论。他的著作《量子论的物理学原理》更是量子力学的经典书籍，对人类现代的发展功不可没。 “二战”期间，海森堡成为纳粹德国研发原子弹的领导人，“所幸”研制失败，他也因为协助德国研发武器，许多原本与他交好的科学家纷纷与他绝交。但即便如此，仍无损他是一位伟大科学家的事实。 02 催化剂 在楼下巷口的早餐店吃了十几年，早餐店阿姨都已经知道我喜欢吃什么了：培根蛋饼与大杯冰奶茶。这家早餐店的分量就跟阿姨一样生性豪迈，好喝的大杯冰奶茶不只令人魂牵梦萦，还能保证肠胃的有效蠕动——早餐店的大杯冰奶茶堪称*完美的肠胃催化剂。 催化作用是利用催化剂来改变反应速率的方法，因此许多化学工业会在化学反应中加入催化剂来加快反应速度以节省时间成本（例如，著名的哈柏法制氨）。催化剂在反应过程中不会被消耗，只会改变反应速率。 永斯·贝吉里斯 (J?ns Berzelius) 1779.8.20—1848.8.7出生于瑞典 贝吉里斯是当代非常重要的化学家，除了发现多种化学元素如铈、硒、硅和钍等，还成功测定了当时几乎所有已知化学元素的原子量，同时提出了同分异构体、聚合物、同素异形体、催化等重要化学术语。因此贝吉里斯被尊称为“瑞典化学之父”，是现代化学发展的关键人物之一。 贝吉里斯在大学时主修医学，但他某天意外发现学校的化学教授约翰·阿夫塞柳斯（Johann Afzelius）不会留在实验室里监视学生，于是贝吉里斯便偷偷跑到实验室里进行各种实验，包含课本上提到的内容或者是灵光一闪的想法，也因此开始对化学产生浓厚兴趣。阿夫塞柳斯知道后，不但没有责备贝吉里斯，反而鼓励他以正常的途径使用实验室。 到了1807年，贝吉里斯已是医学外科学院的教授，随着法瑞战争的爆发，医学外科教授的地位被视为与军官相同，薪水更是直接跳了两倍。不久，贝吉里斯又成为斯德哥尔摩大学的化学系教授。 在道尔顿（见后文09原子说）提出倍比定律后，贝吉里斯认为现存数据的精准度并不足以使理论应用于现实状况，因此他花了10多年的时间大量测定各种原子量与分子量，并在1818年发表了研究成果，之后又在1826年更新更准确的实验数据，可以说贝吉里斯间接测定了当时所有已知的化学元素的原子量。 贝吉里斯本身是“活力论”的信奉者。活力论指出，一般生命体有着非生命体所缺乏的“生命力”，因此不可能在实验室中由人工合成有机分子。但这个理论随着贝吉里斯的学生维勒（见后文36同分异构体）成功合成出尿素后开始瓦解。 贝吉里斯也是**个把催化视为自然界一种广泛现象的学者。他发现有些物质可以在其他物质上进行与后者化学亲和力很不同的反应，从而导致后者分解和重组，自己却没有出现变化。他进而提出了“催化力”的概念，并把这样的反应称为“催化”。 03 洪德定则 上公交车后发现每排靠窗的位置都已经有人，不死心往*后一排走去，终于看见有一个位置是空的，我松了一口气，满足地坐下来，心里觉得真是幸运。说不上来为什么，搭公交车就喜欢一个人靠窗。 物理学家洪德发现，当电子填入数个同副壳层中的同形轨域，会先以相同自旋并以半填满的方式填入同形轨域，等到所有同形轨域都有一个电子之后，剩下的电子才会以相反的自旋填入剩下的空位。 你可以想象有三种不同线路的公交车分别称作s、p、d路线（类似副壳层的概念），每一排座位有两张相邻的椅子，并规定s路线公交车只有一排座位，p路线只有三排座位，d路线只有五排座位（类似同行轨域的概念），乘客就像电子，会经常挑选空的那排坐，等到没得选了，才和其他乘客比邻而坐。 弗里德里希·洪德 (Friedrich Hund) 1896.2.4—1997.3.31出生于德国 洪德是德国物理学家，以原子、分子物理而闻名。在德国马堡和格丁根大学修完数学、物理和地理后，洪德在1925年担任格丁根大学的理论物理学讲师，之后的30余年周游各大学担任教授，*后还是回到了格丁根大学任教。这期间他曾与玻尔在美国哈佛大学教授原子物理，教学生涯相当精彩。 洪德的研究成果有很多，除了发表过250余篇论文和文章外，还在理论量子物理领域贡献良多，特别是关于原子结构及分子光谱的研究，此外他曾是国际量子分子科学院的成员。1926年，洪德发现量子隧穿效应，并于1943年获得马克斯·普朗克奖章（Max-Planck-Medaille）。 洪德提出分子角动量耦合的“洪德情况”，与主导电子分布的“洪德规则”，二者在光谱学和量子化学都是非常重要的原则。在化学中，**条洪德规则特别重要，通常被称为“简单洪德规则”。