如果電子也有內部結構,那對量子力學的發展有什麼作用?

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在量子力學中,電子是被當做“點”來處理的,這很違反我們人類的直覺。因為在我們的日常經驗裡,凡是一個物件都有大小,都可以再分,或都有內部結構。

這種日常經驗支撐了一個信念,即電子也許真的可以再分,有物質結構。可惜這種信念是建立在對微觀物理學事實及量子力學一無所知的基礎上的。

電子具有自旋角動量是個微觀物理學事實,並且自旋角動量的量子數是1/2,這意味著電子的自旋可以取向上或向下兩種取向,分別對應自旋的z分量是+1/2和-1/2。

電子的自旋,較真的話這個圖是錯的,因為電子是個點,你沒法設想一個點自己在三維空間裡有自己圍繞自己轉的運動。

假如你認為電子有內部結構,電子本身就可以定義一個自己在三維空間裡的轉動,這種運動就好比是剛體的運動,或者說就好像我們在宏觀物理世界中看到的一個足球的運動,足球自己圍繞自己軸線的轉動也是一種在三維空間裡的轉動。

這種運動的能量可以表示為角動量的平方除以2倍轉動慣量的形式。如果是量子力學的話,我們需要對它做量子化,即把角動量看做是算符。

量子力學的計算就是求本徵值問題,角動量算符的平方對應的本徵值是l(l+1),我們這裡為了方便把普朗克常數取為1。這裡的細節是角動量量子數l必須取整數,之所以如此,是要符合波函數的週期性邊界條件,即我們讓足球圍繞自身軸線正好轉2π,波函數應當光滑地和角度為0時的波函數接上,這個邊界條件導致了l必須是0和正整數。

但斯特恩-蓋拉赫實驗告訴我們,電子的自旋角動量是1/2,對應的是電子在非均勻磁場中分裂為兩束,這說明電子的自旋角動量不能理解為一個有大小(或有內部結構)的物體的運動。

左至右:奧本海默、狄拉克和派斯。

電子自旋為1/2在狄拉克發展的相對論性量子力學中得到了解釋,當然在那裡電子仍然被當成了點,並且它是一個符合“狹義相對論+量子力學”的物理對象。此後人們又發展了量子場論來進一步研究電子等基本粒子。


物理思維

一個基本的物理知識告訴大家,一個物理體系存在內部結構的基本依據,或基本實驗證據是,這個體系存在著“激發態”。這個基本的常識,已經在分子物理、原子物理、原子核物理和高能物理研究中確立了。我們知道,分子、原子、原子核都是存在著“激發態”的。而且,質子和中子,也是存在著“激發態”的。例如,自由質子的“第一激發態”能量約為200MeV,這已經被實驗結果所證實。

但是,“自由電子”卻沒有被觀測到有“激發態存在”的實驗證據!可能有人會說,電子不是“有軌道”嗎?但這是完全的誤解。那是指“原子中的束縛態電子”,而不是“自由電子”。在所有的“高能電子碰撞實驗”中(包括電子—正電子對撞),都沒有觀察到“自由電子”有激發態產生。這個客觀的物理現象迄今為止,都沒有任何“反例”出現。

所以科學家認為,電子是“沒有內部結構的粒子”,也就是說,它是一個“基本粒子”無法“再分”。這是基於“科學事實”所做出來的結論。

如果有人堅持認為,“物質無限可分”是一個基於xx的“客觀真理”,所以“電子應該可分”。那就不是一個“科學問題”,而是一個“哲學問題”,因為提問的依據不是“科學事實”,而是“哲學理念”。也許可以檢查一下“問題基礎”——“問題的依據究竟是唯物的,還是唯心的?”最後可能會發現,原來“物質無限可分”的論斷,其實基礎是基於“理念”,而不是科學事實。


手機用戶58903279720

只說我瞭解的吧。

電子內部結構的可能性之一就是電偶極距(EDM)。

標準模型中計算的EDM,是很小很小小到目前我們無法測量到的地步。

一些超出標準模型的新模型預言了一個比較大的EDM。他們或許是想解決反物質為何很少這個問題,具體我不清楚,但是對EDM的測量,作為新物理的可能的信號,一直在做。至少到我上次看文獻為止,沒有測到EDM。

所以回答你的問題,如果測到可EDM,說明電子有內部結構,同時說明我們發現了超出標準模型的新物理模型,這些新物理模型可能可以解釋為什麼現在反物質這麼少。

再補充一點吧,看了問題的詳細說明以及專家的解答,我說一個比較容易讓人誤解的地方。

粒子是否有內部結構,和粒子是否有大小,以及粒子是否可分是兩回事。

我們主要還是從觀測的角度去認識粒子的,粒子的內部結構主要體現在它的形狀。比方說粒子是個球對稱的,那就沒有內部結構了。至於大小,沒有一個明確的邊緣,是個較為模糊的概念。

至於是否可分,其實也比較模糊。比如強子,像磁鐵一樣,掰斷後不會得到單獨的南極北極,而會得到兩個新的磁鐵,這種情況叫他可分還是不可分呢?電子也是類似,在電磁場中運動的電子可能輻射出一個光子,能看做把它分成了光子和電子嗎?那麼電子是可分的嗎?

我們去“看”粒子的手段目前就是散射了,所以一切都是說散射截面,形狀因子。沒有內部結構其實意思就是形狀是球對稱的。


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