深层分析量子世界的规则，虽然诡异但使得万物的存在成为可能

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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的奇异和违反直觉的特征。我们考虑海森堡的不确定性，以及不可能同时知道超出有限的相互精度的物理属性对（如位置和动量，能量和时间，或两个垂直方向上的角动量）这一事实。

我们考虑物质的波粒特性，以及单个粒子（如电子或光子）的行为，就好像它们会干扰自身一样。我们经常考虑薛定谔的猫，以及量子系统如何同时存在多种可能结果的组合，只有当我们做出关键的，决定性的测量时才能减少到一个特定的结果。

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薛定谔的猫是一个思想实验，旨在说明量子力学的奇异和违反直觉的本质。量子系统可以处于多个状态的叠加，直到进行关键的测量/观察，此时只有一个可测量的结果。

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。

如果不是泡利排除原则，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。

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这位艺术家的插图显示了一个绕原子核运行的电子，其中电子是一个基本粒子，但核可以分解成更小，更基本的成分。

当然，这不是我们宇宙的工作方式，这是一件非常好的事情。保利排除原则正是通过这个简单的规则阻止这种情况发生的原因：你不能将多个相同的费米子放在同一量子状态。

当然，第一个电子可以滑入最低能量状态：1s轨道。然而，如果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，这使得我们能够形成的结构极其简单。白矮星和中子星，由于泡利不相容原理所提供的简并压力，在我们的宇宙中存在，它们会坍缩成黑洞。而且，最可怕的是，碳基有机化合物——我们所知道的所有生命的基石——对我们来说是不可能的。

泡利不相容原理并不是我们想到的第一件事当我们想到控制现实的量子规则，但它应该是。如果没有量子不确定性或波粒二象性，我们的宇宙将是不同的，但生命仍然存在。然而，如果没有泡利的重要定律，类氢键就会变得非常复杂。