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泡利不相容原理的严格性有多强?

已有 8722 次阅读 2011-6-19 19:09 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记|关键词:泡利不相容原理,,违反,,黑洞,引力势能,不确定原理,相对论| 黑洞, 不确定原理, 泡利不相容原理, 违反, 引力势能

泡利不相容原理的严格性有多强?

凡是学习过量子力学的都知道,费密子服从泡利不相容原理,每一个量子态只能容纳一个费密子。
然而,自打很久以前学习了相对论和量子力学以后,尤其是知道了不确定原理以来,俺就认定了,物理规律就是用来打破的。
例如,真空涨落就是一个很好的例子,虽然虚粒子对的产生,短时间违反了能量守恒,但是只要不确定原理允许,就可以,并且还能够产生可观测的物理效应 -- 例如最早的 氢原子光谱的兰姆移位。

因此,泡利不相容原理作为物理规律之一,岂能独善其身?它也应该会被打破 -- 当然,这种打破,不是类似于超导现象的那种打破,而是直接的,实实在在的打破。

那么,打破以后,会有什么可观测效应呢? -- 难道以前没人考虑计算过吗? 我还是先去查查吧。
还没去查阅专业文献呢,在科学网里一百度,结果出来了

http://wap.sciencenet.cn/news.aspx?id=235614
据物理学家组织网8月4日(北京时间)报道,美国锡拉丘兹大学的物理学家提出了一种违反泡利不相容原理的理论模型,拓展了量子理论和相对论,有助于理解黑洞边界的物质行为。

尽管这个结果的发展方向跟我预想的不一样,但是,已经有人考虑过这个问题了。
吾道不孤啊。
我还是先考虑一下在凝聚态物理领域是不是能算出可观测效应吧。

下面先给出美国的那个例子。


据物理学家组织网8月4日(北京时间)报道,美国锡拉丘兹大学的物理学家提出了一种违反泡利不相容原理的理论模型,拓展了量子理论和相对论,有助于理解黑洞边界的物质行为。
宇 宙中可看到、闻到、感觉到的所有事物,都具有一定的可预见结构,这是由于电子围绕着原子核的旋转都是按原子能阶一层层排列的。有序结构的基本原则就是没有 两个电子同时处于同样的原子能阶(量子态),即一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子,这就是泡利不相容原 理。该原理是以爱因斯坦相对论和量子理论为基础的。
然而,锡拉丘兹大学物理学家最近提出一种违反泡利不相容原理的新理论模型,即在特定条件下,不只一个电子能同时处在相同的量子态。发表在最新一期《物理评论快报》(PRL)上的这一模型,或有助于解释黑洞边界的物质行为,以帮助科学家探索建立一个统一的量子引力理论。
像 元素周期表中的化学元素那样,电子以有序的方式排列在原子能阶层,这使得物质都具有稳定的结构。正是这种潜在的稳定性,使我们能在时间和空间中准确定位一 个目标物体(电子、质子和中子)。然而新模型指出,在量子引力巨大的地方,时空连续统一的景象就会被打破,极大地影响原子和电子跃迁中的旋转对称,电子从 一个原子能阶跃迁到另一个能阶时,泡利原理就会被打破。
研究人员表示,尽管这种影响很小,但他们正利用高 精度仪器进行观察以期发现这种状态。一旦发现,这将极大地动摇当前基本物理理论的基础。根据该理论模型,违反泡利原理在自然界存在过很长一段时间,甚至比 现在宇宙的年龄更长久;或者相反,其出现频率比一次著名的“蓝色月亮”(意即不可能之事)事件更少。
违反泡利原理还有助于理解黑洞边界的物质是什么样子,虽然尚不清楚黑洞中会发生什么,但新模型提供了关于物质在黑洞引力之下原子塌缩的线索。此外,一个违反泡利原理的世界中,化学和生物也将迥然不同。”

我们知道,正如上面所说 -- “没有 两个电子同时处于同样的原子能阶(量子态),即一个原子中不可能有电子层、电子亚层、电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子,这就是泡利不相容原 理。该原理是以爱因斯坦相对论和量子理论为基础的。”

然而,实际上,也正是以相对论和量子理论为基础,很有可能轻微的破坏掉泡利不相容原 理。
这个想法,是受到 2004年的诺贝尔物理学奖得主 维尔切克的启发,他说过这样一句话(大意): 相对论的基础是光速不变,然而量子理论的不确定原理导致光速有轻微的不确定性,因而会产生正反物质(正负电子)。
他在这里指的应该是 相对论性的 电子的狄拉克方程。

我们可以从信息的角度来考虑一下泡利不相容原理成立的条件,以某体系中有两个电子为例。
假定某个电子A已经处于某个状态,那么根据泡利不相容原理,另外一个电子B是不可能保持在跟它同一个状态的。
然而,电子B 是怎么知道自己跟A的状态相同,因而不变成跟A相同的状态,
或者,电子A 是怎么知道电子A要变成跟自己相同的状态,因而阻止电子A的呢?
我们不知道相互作用的具体细节,但是我们可以合理的猜想,这两个电子之间应该存在因果关系,即发生了信息的交换。而根据相对论,信息传递的速率不可能超过光速。
假设两个电子之间的平均距离是L ,那么信息传递所需的最短时间是 dT = L/c
因此在 T 这段时间内,电子B 是可以变成跟 A 相同的状态的,只要在A 觉察到以前,重新变回 非A的状态即可。
而这个时间间隔的对应的能量变化则可以由不确定原理来得到 ,dE = h/dT = hc/L 。
这个道理跟 用不确定原理解释 真空涨落产生和消灭虚粒子对 是基本一致的。

粗略估算一下,dE×L的数量级为  6e-34 ×3e 8 = 2e-25
假设L的尺度为e-15,则dE的量级为 e-10(J),接近10亿电子伏特,约为电子静止质量的1000倍,应该是一个高能过程了。

这种高能过程除了可以出现在基本粒子的高能反应中以外。

也可以设想有一个强引力场 - 例如黑洞附近,电子的引力势能就可以达到这一量级,因而泡利不相容原理就被破坏了。
美国锡拉丘兹大学的这伙人给出的破坏原理不知道是不是基于我上面的分析。
我要去看看他们发在 PRL 上的原始论文。

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http://blog.sciencenet.cn/blog-349703-457030.html

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