傳統(tǒng)觀點(diǎn)往往將電子視為獨(dú)立的粒子,像一顆顆小玻璃球一樣存在。然而,當(dāng)我們深入探討電子的本質(zhì),一個(gè)更為準(zhǔn)確的描述浮現(xiàn)出來(lái):電子本質(zhì)上是波。
你可能對(duì)此感到困惑:在我們的教育體系中,電子不是既有粒子的特性又有波動(dòng)的特性嗎?為何我僅將電子定義為波?
“波粒二象性”一詞常常被用來(lái)描述電子等微觀粒子的行為特性。這種現(xiàn)象使得電子似乎同時(shí)具有粒子和波的特性。然而,這只是描述電子行為的一個(gè)方法,并不是電子本質(zhì)的全部。
在量子力學(xué)的理論中,我們從未聽(tīng)說(shuō)某個(gè)特定的粒子“既是粒子也是波”或“有時(shí)是粒子,有時(shí)是波”。量子力學(xué)告訴我們,電磁波與粒子并無(wú)必然聯(lián)系。只是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),電磁波的能量是分立的,所以他們將電磁波的最小能量單位定義為光子。
量子,本質(zhì)上,是描述物理量不可再分的基本單位。換句話說(shuō),量子并不是粒子,只是一種物理量的衡量尺度。
科學(xué)家們自量子力學(xué)誕生起,并沒(méi)有將量子化的波描述為粒子。電磁波的能量與振幅相關(guān),既然能量是量子化的,那么波的振幅自然也是。
但問(wèn)題是,振幅是如何量化的?早期的量子力學(xué)理論對(duì)此曾感到困惑。
科學(xué)家們猜想,那些看似固體的粒子,實(shí)際上可能是由不同類型的波通過(guò)互動(dòng)形成的波的集合體,電子正是其中之一。其他如質(zhì)子和中子等粒子,也是由更復(fù)雜的夸克波構(gòu)成。
簡(jiǎn)而言之,我們所見(jiàn)的世界,其實(shí)是由各種復(fù)雜波的相互作用構(gòu)成的,與我們?nèi)粘K?jiàn)的光并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。
因此,“粒子”的概念實(shí)際上并不存在。
“粒子”一詞的出現(xiàn),只是為了方便我們用經(jīng)典物理學(xué)的視角理解“波”的概念。經(jīng)典物理學(xué)的世界是由粒子構(gòu)成的,所以用“粒子”來(lái)描述微觀世界的現(xiàn)象,對(duì)于我們來(lái)說(shuō)更容易理解。
早期的物理學(xué)家們也在努力擺脫經(jīng)典物理學(xué)的束縛,他們很難接受波可以表現(xiàn)出粒子特性的觀點(diǎn)。
然而,如果我們摒棄“粒子”的概念,而僅用“波”來(lái)描述微觀現(xiàn)象,問(wèn)題就會(huì)變得簡(jiǎn)單明了。
正如物理學(xué)家德布羅意所說(shuō),所有粒子都是波。德布羅意還提出了動(dòng)量與波長(zhǎng)之間的關(guān)系,為薛定諤方程的出現(xiàn)鋪平了道路。
薛定諤方程雖然復(fù)雜,但我們可以理解為,波函數(shù)是描述粒子可能出現(xiàn)的位置的概率密度,展現(xiàn)了粒子所有可能狀態(tài)的疊加。當(dāng)我們測(cè)量粒子的具體位置時(shí),波函數(shù)會(huì)突然塌縮,我們發(fā)現(xiàn)粒子的位置,是測(cè)量過(guò)程中波函數(shù)塌縮的結(jié)果。
“波粒二象性”一詞在很多情況下被誤解了。
實(shí)際上,波粒二象性主要展示的是“波動(dòng)性”,所謂的“粒子性”只是波動(dòng)性的特定條件下的表現(xiàn)。更為根本的屬性是波動(dòng)性。
從物理學(xué)角度講,波函數(shù)實(shí)際上描述了“波粒二象性”在整個(gè)宇宙中的分布。我們不知道電子的確切位置,它可能出現(xiàn)在宇宙的任何地方。波函數(shù)則給出了電子在不同位置出現(xiàn)的概率。
因此,我堅(jiān)持說(shuō)電子是波,只能是波,而非粒子。
當(dāng)我們?cè)噲D測(cè)量電子的位置時(shí),電子的波函數(shù)會(huì)塌縮,我們于是“發(fā)現(xiàn)”電子出現(xiàn)在某個(gè)地方。很多人誤以為是我們的測(cè)量“撞擊”到了電子,實(shí)際上并非如此。
真實(shí)的情況是,測(cè)量并沒(méi)有將電子的波函數(shù)從“波”轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲W印保驗(yàn)殡娮邮冀K是波。測(cè)量只是讓電子從一個(gè)無(wú)處不在的波,變成了一個(gè)高度集中在某一點(diǎn)的波。
現(xiàn)代量子場(chǎng)論也支持這一觀點(diǎn),所有基本粒子都是各自所在場(chǎng)的最低能級(jí)狀態(tài)。例如,光子是電磁場(chǎng)的激發(fā)態(tài),而電子則是電子場(chǎng)的激發(fā)態(tài)。
也就是說(shuō),所有基本粒子本質(zhì)上都是波,所謂的粒子只是波在特定條件下的表征。
波,才是最基本、最核心的存在形式。
一句話總結(jié),電子不是粒子,而是波!


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