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為什么所有的電子都一模一樣?

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在我們的物理學中,電子被認為是全同粒子(identical particles),什么意思呢?簡單講就是,對于所有的電子來講,無論其來源如何,它們都具有一模一樣的內稟屬性(如靜質量、電荷、自旋、磁矩等)。



比如說你有兩個電子,如果你讓它們互相接近,進而使其波函數(shù)發(fā)生重疊,那么它們就會成為沒有個體身份的同一種存在,在這種情況下,你就無法單獨指認其中的某一個電子,而只能將其視為一個整體,只能說“這里有兩個電子”。

實際上,在過去的一百多年時間里,物理學家用盡了各種方法,把測量精度推向了極致,試圖在實驗中找出電子之間的哪怕一絲一毫的不同。結果呢?一無所獲。物理學家發(fā)現(xiàn),無論電子來自哪里、何時產生,它們的內稟屬性都是一模一樣的。

另一方面來講,即使從理論上來講,電子也應該是全同粒子,因為如果不是這樣的話,我們熟悉的世界將不復存在。



舉個例子,相信大家都聽說過泡利不相容原理,其內容簡單來講就是,對于同種類型的“費米子”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“費米子”就是構成物質的粒子,所以電子當然屬于“費米子”,它們會遵循泡利不相容原理。

而根據(jù)能量最低原理,宇宙萬物都會自發(fā)地傾向于能量最低狀態(tài),所以原子中的電子都會自發(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,而是會從能量最低的軌道開始,一個一個地填滿。



比如說第一個軌道(1s軌道)最多只能容納兩個自旋相反的電子,填滿了就得去能量更高一點的第二個軌道(2s, 2p軌道),第二個軌道填滿了,就得去第三個……

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構,而正是這種結構,決定各種元素的化學性質。

然而這樣的情況有一個重要前提就是,所有的電子都是全同粒子。因為如果電子彼此略有不同,那么泡利不相容原理也就失效了,在這種情況下,原子電子層結構就會變得混亂不堪,化學周期律也會消失,我們熟悉的世界也將不復存在。

那么,為什么所有的電子都一模一樣呢?這個問題可以通過量子場論來進行合理的解釋。



簡而言之,量子場論建立基于經典場論,狹義相對論和量子力學,是粒子物理標準模型的數(shù)學基礎和理論框架,該理論認為,場是比粒子更基本的物質狀態(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的場,這些場充滿了整個宇宙。

在量子場論中,電子對應的就是“電子場”,這個“電子場”可視為充斥著整個宇宙的一個量子場,無論在哪個地方,其性質完全相同,由于每個電子都是這個場的量子激發(fā),因此它們能量、電荷、自旋、磁矩等內稟屬性就都是一模一樣的。

當然了,其他的解釋也有,比如說單電子宇宙論認為,宇宙中可能只有一個電子,這個電子在時空中不斷穿梭、折返,它沿時間正方向運動時表現(xiàn)為電子,沿時間反方向運動時則表現(xiàn)為正電子(電子的反粒子),由于這個電子的世界線在宇宙時空中交錯無數(shù)次,我們才會在不同的時空節(jié)點看到大量的電子。



又比如說虛擬宇宙論認為,我們所在的宇宙,可能是由計算機程序模擬出來的,在這種情況下,程序就可能會定義一個“電子類”,并為這個類設定好一套標準屬性,如此一來,需要多少個電子,就可以實例化多少個電子,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玄乎,因此并沒有獲得普遍認可??傮w來說,基于量子場論的解釋目前最被科學界接受,因為它能在已知理論框架中自洽地說明電子的全同性。但話說回來,這也只是我們當下的理解,或許宇宙中仍藏著更深的秘密。

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