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在我們的物理學(xué)中,電子被認(rèn)為是全同粒子(identical particles),什么意思呢?簡單講就是,對(duì)于所有的電子來講,無論其來源如何,它們都具有一模一樣的內(nèi)稟屬性(如靜質(zhì)量、電荷、自旋、磁矩等)。 比如說你有兩個(gè)電子,如果你讓它們互相接近,進(jìn)而使其波函數(shù)發(fā)生重疊,那么它們就會(huì)成為沒有個(gè)體身份的同一種存在,在這種情況下,你就無法單獨(dú)指認(rèn)其中的某一個(gè)電子,而只能將其視為一個(gè)整體,只能說“這里有兩個(gè)電子”。 實(shí)際上,在過去的一百多年時(shí)間里,物理學(xué)家用盡了各種方法,把測量精度推向了極致,試圖在實(shí)驗(yàn)中找出電子之間的哪怕一絲一毫的不同。結(jié)果呢?一無所獲。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn),無論電子來自哪里、何時(shí)產(chǎn)生,它們的內(nèi)稟屬性都是一模一樣的。 另一方面來講,即使從理論上來講,電子也應(yīng)該是全同粒子,因?yàn)槿绻皇沁@樣的話,我們熟悉的世界將不復(fù)存在。 舉個(gè)例子,相信大家都聽說過泡利不相容原理,其內(nèi)容簡單來講就是,對(duì)于同種類型的“費(fèi)米子”來講,它們不愿意其他的小伙伴與自己占據(jù)相同的量子態(tài)。 簡單來講,所謂“費(fèi)米子”就是構(gòu)成物質(zhì)的粒子,所以電子當(dāng)然屬于“費(fèi)米子”,它們會(huì)遵循泡利不相容原理。 而根據(jù)能量最低原理,宇宙萬物都會(huì)自發(fā)地傾向于能量最低狀態(tài),所以原子中的電子都會(huì)自發(fā)地向能量最低的軌道躍遷,但由于泡利不相容原理的限制,它們并不能全都擠在能量最低的軌道上,而是會(huì)從能量最低的軌道開始,一個(gè)一個(gè)地填滿。 比如說第一個(gè)軌道(1s軌道)最多只能容納兩個(gè)自旋相反的電子,填滿了就得去能量更高一點(diǎn)的第二個(gè)軌道(2s, 2p軌道),第二個(gè)軌道填滿了,就得去第三個(gè)…… 就這樣,電子們被迫占據(jù)了不同的能層和軌道,形成了我們熟悉的原子電子層結(jié)構(gòu),而正是這種結(jié)構(gòu),決定各種元素的化學(xué)性質(zhì)。 然而這樣的情況有一個(gè)重要前提就是,所有的電子都是全同粒子。因?yàn)槿绻娮颖舜寺杂胁煌?,那么泡利不相容原理也就失效了,在這種情況下,原子電子層結(jié)構(gòu)就會(huì)變得混亂不堪,化學(xué)周期律也會(huì)消失,我們熟悉的世界也將不復(fù)存在。 那么,為什么所有的電子都一模一樣呢?這個(gè)問題可以通過量子場論來進(jìn)行合理的解釋。 簡而言之,量子場論建立基于經(jīng)典場論,狹義相對(duì)論和量子力學(xué),是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論框架,該理論認(rèn)為,場是比粒子更基本的物質(zhì)狀態(tài),任何粒子都是場的量子激發(fā),每一種粒子都有自己相應(yīng)的場,這些場充滿了整個(gè)宇宙。 在量子場論中,電子對(duì)應(yīng)的就是“電子場”,這個(gè)“電子場”可視為充斥著整個(gè)宇宙的一個(gè)量子場,無論在哪個(gè)地方,其性質(zhì)完全相同,由于每個(gè)電子都是這個(gè)場的量子激發(fā),因此它們能量、電荷、自旋、磁矩等內(nèi)稟屬性就都是一模一樣的。 當(dāng)然了,其他的解釋也有,比如說單電子宇宙論認(rèn)為,宇宙中可能只有一個(gè)電子,這個(gè)電子在時(shí)空中不斷穿梭、折返,它沿時(shí)間正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)為電子,沿時(shí)間反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)則表現(xiàn)為正電子(電子的反粒子),由于這個(gè)電子的世界線在宇宙時(shí)空中交錯(cuò)無數(shù)次,我們才會(huì)在不同的時(shí)空節(jié)點(diǎn)看到大量的電子。 又比如說虛擬宇宙論認(rèn)為,我們所在的宇宙,可能是由計(jì)算機(jī)程序模擬出來的,在這種情況下,程序就可能會(huì)定義一個(gè)“電子類”,并為這個(gè)類設(shè)定好一套標(biāo)準(zhǔn)屬性,如此一來,需要多少個(gè)電子,就可以實(shí)例化多少個(gè)電子,由于所有電子的底層代碼都是完全相同的,它們自然也就一模一樣了。 不過由于這些解釋都有點(diǎn)玄乎,因此并沒有獲得普遍認(rèn)可??傮w來說,基于量子場論的解釋目前最被科學(xué)界接受,因?yàn)樗茉谝阎碚摽蚣苤凶郧⒌卣f明電子的全同性。但話說回來,這也只是我們當(dāng)下的理解,或許宇宙中仍藏著更深的秘密。 |
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