新的研究表明电子波函数可以被分裂和俘获

点击次数:1   更新时间:2018-05-16   【关闭

布朗大学最近发表的一项研究表明,电子的量子态 - 电子的波函数 - 可以被分解成碎片并被捕获。 /

罗德岛普罗维登斯(布朗大学) - 来自布朗大学的物理学家的最新研究将量子力学的深奥奇异性概括为 - 或者更准确地说,就是氦气泡。

布朗物理学教授汉弗莱马里斯(Humphrey Maris)领导的实验表明,电子的量子态 - 电子的波函数 - 可以被破碎成碎片,并且这些碎片可以被困在液氦的微小气泡中。要清楚,研究人员并不是说电子可以分解。电子是基本粒子,不可分割且不易破碎。但是研究人员所说的在某些方面更加奇怪。

在量子力学中,粒子在空间中没有明显的位置。相反,它们作为波函数存在,概率分布包括可能找到粒子的所有可能位置。马里斯和他的同事们认为,这种分配的一部分可以分开并相互封锁。

“我们正在捕捉找到电子的机会,而不是电子碎片,”Maris说。 “这有点像彩票。当彩票出售时,每个购买彩票的人都会得到一张纸。因此,所有这些人都有机会,你可以认为机会遍布各地。但是只有一个奖项 - 一个电子奖 - 奖品将在哪里确定。“

如果Maris对他的实验结果的解释是正确的,那么就会对量子力学中的测量过程提出深刻的问题。在传统的量子力学公式中,当测量一个粒子时 - 意味着它被发现在一个特定的位置 - 波函数据说会崩溃。

“我们进行的实验表明,电子与一些较大的物理系统(如液态氦浴)之间的相互作用并不构成衡量指标,”Maris说。 “那么问题是:什么?”

波函数可以分成两个或更多个气泡的事实也很奇怪。如果探测器在一个气泡中发现电子,另一个气泡会发生什么?

“这确实引发了各种有趣的问题,”Maris说。

这项新研究发表在“低温物理杂志”上。

电子气泡

多年来科学家们一直在想,液氦中冷却至接近绝对零度的电子的奇怪行为。当电子进入液体时,它排斥周围的氦原子,在液体中形成约3.6纳米的气泡。气泡的大小由推动氦气表面张力的电子压力决定。然而,这种奇怪的现象出现在可追溯到20世纪60年代的实验中,看看气泡是如何运动的。

在实验中,电子脉冲进入充满氦气的管的顶部,并且检测器记录当电子气泡到达管的底部时输送的电荷。因为气泡具有明确的尺寸,所以它们都应该在移动时都经历相同的阻力,因此应该同时到达探测器。但这不是什么情况。实验发现在正常电子气泡之前到达检测器的未识别物体。多年来,科学家们对14种不同大小的不同物体进行了编目,所有这些物体的移动速度都比电子气泡预计的移动速度快。

“自从他们第一次被发现以来,他们一直是个谜,”Maris说。 “没有人有一个很好的解释。”

已经提出了几种可能性。未知物体可能是氦气带电粒子中的杂质,从容器壁上脱离。另一种可能性是物体可能是氦离子 - 氦原子会吸收一个或多个额外的电子,从而在检测器处产生负电荷。

但是,包括诺贝尔奖获得者和布朗物理学家莱昂库珀在内的马里斯和他的同事们相信,一系列新的实验将这些解释搁置下来。

新的实验

研究人员进行了一系列电子气泡迁移率实验,其灵敏度比先前的工作大得多。他们能够检测到以前工作中的所有14个对象,以及在实验过程中频繁出现的四个附加对象。但除了那些经常出现的18个物体之外,这项研究还揭示了无数其他物体更少出现。

实际上,马里斯说,看起来不仅有18个物体,而且它们的数量实际上是无限的,“尺寸的连续分布”达到正常电子气泡的大小。

“这让一个匕首的想法,这些是杂质或氦离子,”马里斯说。 “很难想象会有那么多杂质,或许多以前未知的氦离子。”

研究人员想出来解释结果的唯一方法就是通过波函数的“裂变”。在某些情况下,研究人员推测,电子波函数在进入液体时会发生分裂,并且波函数的碎片被捕获在不同的气泡中。因为气泡包含的波函数小于全波函数,所以它们比正常电子气泡更小,因此移动更快。

在他们的新论文中,Maris和他的团队设计了一种由量子理论支持的裂变发生机制,与实验结果非常吻合。这个机制涉及量子力学中的一个概念,称为屏障上方的反射。

在电子和氦气的情况下,它的工作原理是这样的:当电子撞击液氦表面时,它有可能会进入液体中,并且有可能会反弹并离开液体。在量子力学中,这些可能性被表达为跨越障碍的波函数的一部分,并且其中一部分被反射。也许小电子气泡是由穿过表面的波函数部分形成的。气泡的大小取决于波函数通过多少,这将解释实验中检测到的小电子气泡大小的连续分布。

Cooper说,波函数的一部分反映在屏障上的思想是标准的量子力学。 “我不认为会有人争论,”他说。 “非标准部分是通过影响泡沫尺寸的波函数的部分可以产生物理效应。这在这里是全新的。“

此外,研究人员提出了波函数进入液体后会发生什么。这有点像把一滴油放在水坑里。 “有时候你的油滴会形成一个泡沫,”Maris说,“有时它会形成两个,有时会形成两个。”

量子理论中有一些元素表明了波函数分解成特定大小的趋势。根据Maris的计算,人们可能预期会看到的具体尺寸大致对应于18个频繁发生的电子气泡尺寸。

“我们认为这提供了我们在实验中看到的最好的解释,”Maris说。我们已经掌握了这个可以追溯到40年的数据。实验没有错;他们已经由多人完成。我们有一个叫奥卡姆剃刀的传统,我们试图拿出最简单的解释。就我们所知,这就是它。“

但它的确提出了一些有趣的问题,它们坐落在科学和哲学的边界上。例如,有必要假设氦气不能测量电子的实际位置。如果是这样,理论上任何发现不含电子的气泡都会消失。而且,Maris指出,量子理论最深奥的奥秘之一。

“没有人确定实际构成一项衡量标准。也许物理学家可以同意拥有博士学位的人。穿着一件坐在着名大学实验室里的白色外套可以进行测量。但是那些真的不确定自己在做什么的人呢?需要意识吗?我们不知道。“

该论文除Maris外的作者还包括前布朗博士后研究员万春伟,研究生谢卓琳和乔治赛德尔,物理学名誉教授。

出版物:W. Wei等人,“超流体中氦的研究和电子波函数的可能裂变”,低温物理杂志,2014; DOI:10.1007 / s10909-014-1224-3

资料来源:布朗大学

图片:麦克科伊亚/布朗大学