泡利不相容原理与生命、宇宙(2)

在传统的薛定谔猫实验中，你不知道量子衰变的结果是否已经发生，导致猫的死亡。在盒子里，猫要么是活的，要么是死的，这取决于放射性粒子是否衰变。如果它是一个真正的量子系统，那么猫既不是活的也不是死的，而是处于两种状态的叠加状态，直到被观察到。然而，你永远无法观察到猫同时是死的和活的。
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我们大多数人几乎没有考虑过泡利不相容原理，它只是简单地指出，没有两个相同的费米子可以在同一系统中占据相同的精确量子态。
实际上，这不仅是一件大事;这是最大的交易。当尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）第一次提出他的原子模型时，它很简单，但非常有效。通过将电子视为围绕原子核运行的类似行星的实体，但仅在由直接数学规则控制的明确能级上，他的模型再现了物质的粗结构。当电子在能级之间转换时，它们发射或吸收光子，这反过来又描述了每个单独元素的光谱。
但玻尔的模型就是这样：一个成功地描述了所看到的东西的模型。它没有解释为什么这些规则会存在，或者提供一组允许推导这些规则的公理。

氢原子中的电子跃迁以及产生的光子的波长展示了量子物理学中结合能的影响以及电子与质子之间的关系。原子的玻尔模型提供了能级的轨迹（或粗略或粗略）结构，但这已经不足以描述几十年前就已经看到的精细和超精细结构。
(图片来源：OrangeDog和Szdori/Wikimedia Commons）
这就是泡利排除原则的用武之地。只要要求同一量子系统中没有两个相同的费米子占据相同的量子态，就会出现这种复杂的结构：对于原子内电子的行为，以及所有其他包含多个相同费米子的复合系统。
如果不是泡利不相容原理，我们在宇宙中拥有的物质将以非常不同的方式表现。你看，电子是费米子的例子。每个电子与宇宙中的每一个其他电子基本相同，具有相同的电荷、质量、轻子数、轻子族数和固有角动量（或自旋）。
如果没有泡利不相容原理，那么可以填充原子基态（最低能量）的电子数量就不会有限制。随着时间的推移，在足够凉爽的温度下，这就是宇宙中每个电子最终都会沉入的状态。能量最低的轨道——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所有电子。