電子的軌跡原來那麼奇妙而深不可測。
奧地利物理學家埃爾文·薛丁格是量子力學的奠基人之一,但是他最為大眾所知的,卻是他從未做過的一項試驗:一個關於貓的思想試驗(即薛丁格的貓實驗)他假想將一隻貓置於一個密閉盒子內,裡面安放了一個一小時內有50%機率殺死貓的裝置。在那一小時的結尾,他提出一個問題,現在貓是活的還是死的?常識告訴我們,貓不是活的,就是死的。
但是,薛丁格指出,根據量子物理,在打開盒子的前一瞬間,貓既是活的也是死的,即貓處於生與死的混合狀態。同時只有打開了盒子,我們才能知道貓是生還是死。除此之前,貓一直處於一種混沌可能性的狀態,既生又死。
薛丁格的觀點聽起來很荒謬。他發覺,量子物理如此難以理解,以至於他本人都放棄驗證此理論,並轉而研究生物。雖然薛丁格的貓看上去很荒謬,但是,它卻是很真實的,也是很基礎的。如果量子物體不能同時處於雙重狀態,我們現在用來觀看視頻的電腦就不會存在量子的疊加現象。量子的疊加現象是自然物質波粒二象性作用的結果。
一個物體要想有波長,就必須擴展空間範圍。這就意味著,它必須同時佔據許多位置,限制在很小空間的物體就不可能太明晰。所以它同時存在于波長內的許多不同地點。物體的波長我們在日常生活的物品中看不到,因為這些波長在變短的同時卻有增長的趨勢,而因為貓相對而言比較大和重。如果我們取一個原子並放大到太陽系大小,那麼貓奔向物理學家產生的波長,就相當於太陽系裡的一個小原子。它小到很難去探測,所以我們從未看到貓的波動。但是,很小的物質,比如說一個電子,卻是能表明波粒二象性存在的證據。如果我們一次把一個電子射向一個有兩個狹窄裂縫的裝置,遠處的電子會像物質一樣馬上被探測出在哪個位置。
我們大量重複此實驗持續追蹤所有電子的軌跡,你會發現它們的軌跡表現出了波的特徵。大量電子聚集在條紋區間內。但是在沒有電子的區間之中夾雜遮擋住了一個細微裂縫,在這個細微裂縫中,條紋區間就不復存在。這表明,電子的集聚形式是電子同時有兩個可穿過的裂縫,但是作用結果卻是一個電子無法選擇通過哪個裂縫,通過裂縫的電子卻是同時發生的這種疊加狀態。也可由現代科學解釋,饒原子核旋轉的電子的軌道是分散的似波軌道。它使兩個原子靠近,電子不需要選擇原子軌道,只需要共享軌道。這就是化學鍵的形成形式。分子中的電子不是在原子A或B中,而是在A和B中。
如果你添加更多的原子,電子會更加擴散,同時被大量原子共享,電子並不是牢固地繞某個原子旋轉,而是在空間內繞著分子旋轉。這種龐大的狀態疊加,表明了電子是如何在導體,絕緣體和半導體間運動的。了解電子被原子共享的方式,使我們有可能精確地控制半導體材料的性能。比如說,矽將不同的半導體以正確的方式組合,令我們可以將電晶體製造成很小的規模。而大規模集成電路放在電腦晶片裡,這些晶片和擴散的電子掌控你們的電腦。
有這麼一個老笑話,網際網路的存在使我們可以分享關於薛丁格的貓的視頻。但是,溯本求源,網際網路的出現卻要歸功於一位奧地利物理學家和那隻虛構的貓。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. LI HAO-TED-+Qiwen Lu
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