电子的轨迹原来那么奇妙而深不可测。
奥地利物理学家埃尔文·薛定谔是量子力学的奠基人之一,但是他最为大众所知的,却是他从未做过的一项试验:一个关于猫的思想试验(即薛定谔的猫实验)他假想将一只猫置于一个密闭盒子内,里面安放了一个一小时内有50%几率杀死猫的装置。在那一小时的结尾,他提出一个问题,现在猫是活的还是死的?常识告诉我们,猫不是活的,就是死的。
但是,薛定谔指出,根据量子物理,在打开盒子的前一瞬间,猫既是活的也是死的,即猫处于生与死的混合状态。同时只有打开了盒子,我们才能知道猫是生还是死。除此之前,猫一直处于一种混沌可能性的状态,既生又死。
薛定谔的观点听起来很荒谬。他发觉,量子物理如此难以理解,以至于他本人都放弃验证此理论,并转而研究生物。虽然薛定谔的猫看上去很荒谬,但是,它却是很真实的,也是很基础的。如果量子物体不能同时处于双重状态,我们现在用来观看视频的电脑就不会存在量子的叠加现象。量子的叠加现象是自然物质波粒二象性作用的结果。
一个物体要想有波长,就必须扩展空间范围。这就意味着,它必须同时占据许多位置,限制在很小空间的物体就不可能太明晰。所以它同时存在于波长内的许多不同地点。物体的波长我们在日常生活的物品中看不到,因为这些波长在变短的同时却有增长的趋势,而因为猫相对而言比较大和重。如果我们取一个原子并放大到太阳系大小,那么猫奔向物理学家产生的波长,就相当于太阳系里的一个小原子。它小到很难去探测,所以我们从未看到猫的波动。但是,很小的物质,比如说一个电子,却是能表明波粒二象性存在的证据。如果我们一次把一个电子射向一个有两个狭窄裂缝的装置,远处的电子会像物质一样马上被探测出在哪个位置。
我们大量重复此实验持续追踪所有电子的轨迹,你会发现它们的轨迹表现出了波的特征。大量电子聚集在条纹区间内。但是在没有电子的区间之中夹杂遮挡住了一个细微裂缝,在这个细微裂缝中,条纹区间就不复存在。这表明,电子的集聚形式是电子同时有两个可穿过的裂缝,但是作用结果却是一个电子无法选择通过哪个裂缝,通过裂缝的电子却是同时发生的这种叠加状态。也可由现代科学解释,饶原子核旋转的电子的轨道是分散的似波轨道。它使两个原子靠近,电子不需要选择原子轨道,只需要共享轨道。这就是化学键的形成形式。分子中的电子不是在原子A或B中,而是在A和B中。
如果你添加更多的原子,电子会更加扩散,同时被大量原子共享,电子并不是牢固地绕某个原子旋转,而是在空间内绕着分子旋转。这种庞大的状态叠加,表明了电子是如何在导体,绝缘体和半导体间运动的。了解电子被原子共享的方式,使我们有可能精确地控制半导体材料的性能。比如说,硅将不同的半导体以正确的方式组合,令我们可以将晶体管制造成很小的规模。而大规模集成电路放在电脑芯片里,这些芯片和扩散的电子掌控你们的电脑。
有这么一个老笑话,互联网的存在使我们可以分享关于薛定谔的猫的视频。但是,溯本求源,互联网的出现却要归功于一位奥地利物理学家和那只虚构的猫。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. LI HAO-TED-+Qiwen Lu
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