深层分析量子世界的规则,虽然诡异但使得人类乃至万物的存在成为可能

深层分析量子世界的规则，虽然诡异但使得人类乃至万物的存

在成为可能！

从宏观尺度到亚原子尺度，基本粒子的尺寸在确定复合结构的尺

寸方面起着很小的作用。构建块是否真正是基本的和/或点状粒子仍然

未知，但我们确实从大型宇宙尺度到微小的亚原子尺度理解宇宙。

看看地球上的一切。如果你要调查任何对象的构成，你可以将它

细分为逐渐变小和变小的块。所有生物都是由细胞组成的，细胞又由

一系列复杂的分子组成，这些分子本身是由原子缝合在一起的。原子

本身可以进一步分解：原子核和电子。这些是地球上所有物质的组成

部分，就此而言，是我们在宇宙中所知道的所有正常物质。

它可能会让你想知道这是怎么发生的。由原子核和电子组成的原

子如何产生不到100种，它们会产生分子，物体，生物以及我们发现

的其他一切的巨大多样性？我们应该得到一个被低估的量子规则的答

案：泡利除外原则。

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原子轨道处于基态（左上角），随着你向右然后向下进化，下一

个最低能量状态。这些基本配置决定了原子如何表现和施加原子间力。

当我们大多数人想到量子力学时，我们会想到宇宙在最小尺度上

我们大多数人几乎没有再考虑泡利排除原理，该原则简单地说明

在同一系统中没有两个相同的费米子可以占据相同的精确量子态。

大不了吧？

实际上，这不仅是一件大事; 这是最重要的。当Niels Bohr首先推

出他的原子模型时，它很简单但非常有效。通过将电子视为围绕核运

行的行星状实体，但仅在明确的能量水平上由直接的数学规则控制，

他的模型再现了粗糙的物质结构。当电子在能级之间转换时，它们发

射或吸收光子，这反过来描述了每个单独元素的光谱。

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当自由电子与氢原子核重新结合时，电子会向下级联能级，随着

它们的发射发射光子。为了在早期宇宙中形成稳定的中性原子，它们

必须达到基态而不产生潜在的电离紫外光子。原子的玻尔模型提供了

能量水平的过程（或粗略或粗略）结构，但这已经不足以描述几十年

前所见过的东西。

如果不是保利排除原则，我们在宇宙中所遇到的问题就会以一种

截然不同的方式表现出来。你看，电子是费米子的例子。每个电子基

本上与宇宙中的每个其他电子相同，具有相同的电荷，质量，轻子数，

轻子族数和内在角动量（或自旋）。

如果没有泡利不相容原理，那么可以填充原子的地面（最低能量）

状态的电子数量就没有限制。随着时间的推移，在足够凉爽的温度下，

这就是宇宙中每一个电子最终会沉入的状态。最低能量轨道 - 每个原

子中的1s轨道 - 将是唯一包含电子的轨道，它将包含每个原子固有的

电子。

你拿第二个电子并试图将它放在那里，它就不能具有与前一个电子相

同的量子数。电子，除了它们自身固有的量子特性（如质量，电荷，

轻子数等）外，还具有特定于它们所处的束缚态的量子特性。当它们

与原子核结合时，包括能级，角动量，磁量子数和自旋量子数。

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电子能量表示中性氧原子的最低可能能量构型。因为电子是费米

子而不是玻色子，所以即使在任意低温下它们也不能全部存在于地

（1s）状态。这是阻止任何两个费米子占据相同量子态的物理学，并

且阻止大多数物体抵抗重力坍缩。

原子中能量最低的电子将占据最低（n = 1）能级，并且没有角动

量（l = 0），因此磁量子数也为0。然而，电子的旋转提供了第二种

可能性。每个电子的自旋都是1/2，原子中能量最低（1s）的电子也

是如此。

当你添加第二个电子时，它可以具有相同的自旋但是朝向相反的

方向，有效旋转为-。这样，你可以将两个电子装入1s轨道。之后，

它已经满了，你必须进入下一个能级（n = 2）才能开始添加第三个电

子。2s轨道（其中 l = 0）也可以容纳另外两个电子，然后你必须转到

2p轨道，其中 l = 1并且你可以有三个磁量子数：-1,0或 1并且每个

都可以保持电子旋转 或-。

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每个轨道（红色），每个p轨道（黄色），d轨道（蓝色）和f轨

道（绿色）每个只能包含两个电子：一个旋转，一个旋转。

泡利不相容原则 - 以及我们拥有宇宙中的量子数的事实 - 是每个

原子都有自己独特的结构。当我们向原子中添加更多的电子时，我们

必须达到更高的能量水平，更大的角动量，以及越来越复杂的轨道，

以便为所有这些物质寻找家园。能量水平如下：

最低（n = 1）能级仅具有s轨道，因为它没有角动量（l = 0）并

且可以仅保持两个（自旋 1/2和-1）电子。

第二（n = 2）能级具有S-轨道和p-轨道，因为它可以具有0（角

动量=0），这意味着可以有轨道的2S（其中你有旋转 和电子），两

个电子和2p轨道（磁数为-1,0和 1，每个都保持自旋 和电子），保持

六个电子。

第三个（n = 3）能级有s，p和d轨道，其中d轨道的角动量为

2（l = 2），因此可以有五种可能的磁数（-2， -因此，除了3s（其中

包含两个电子）和3p（其中包含六个电子）轨道之外，还可以保持总

共十个电子，即0， 1， 2）。

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能级和电子波函数对应于氢原子内的不同状态，尽管所有原子的

配置极其相似。能量水平以普朗克常数的倍数量化，但轨道和原子的

大小由基态能量和电子质量决定。额外的影响可能很微妙，但可以以

可衡量的，可量化的方式改变能量水平。

在这个重要的量子规则下，元素周期表上的每个原子将具有与每

个其他元素不同的电子配置。因为它是最外壳中电子的特性决定了它

所属元素的物理和化学性质，所以每个原子都有自己独特的原子，离

子和分子键，它能够形成。

没有两个元素，无论多么相似，在它们形成的结构方面都是相同

的。这就是为什么我们可以用几种简单的原料来形成多少种不同类型

的分子和复杂结构的可能性的根源。我们添加的每个新电子必须具有

与它之前的所有电子不同的量子数，这改变了原子将如何与其他一切

相互作用。

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原子连接形成分子的方式，包括有机分子和生物过程，只有因为

控制电子的泡利排除规则才有可能。

最终结果是，当与任何其他原子结合形成化学或生物化合物时，

每个单独的原子提供了无数的可能性。原子可以组合在一起的可能组

合没有限制; 虽然某些配置肯定比其他配置更有利，但是自然界中存在

各种能量条件，为形成即使是最聪明的人也难以想象的化合物铺平了

道路。

但是原子这种行为的唯一原因，就是我们可以通过组合它们来形

成那么多奇妙的化合物，就是我们不能将任意数量的电子放入同一量

子态。电子是费米子，而泡利未被充分认识的量子规则阻止任何两个

相同的费米子具有相同的精确量子数。

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白矮星，中子星甚至奇怪的夸克星都仍然由费米子组成。泡利简

并压力有助于阻止所有恒星残余物抵抗重力坍塌，防止形成黑洞。

如果我们没有泡利不相容原理来阻止多个费米子具有相同的量子

态，我们的宇宙将会完全不同。每个原子都具有和氢几乎相同的性质，