在宇宙中所有物质的深处,电子都在嗡嗡作响,它们的行为就像旋转的陀螺一样,在它们的轴上旋转。这些“自旋”电子是量子物理学的基础,在我们理解原子和分子中起着核心作用。其他亚原子粒子也会自旋,对自旋的研究在化学、物理、医学和计算机电子学领域都有技术应用。
但是许多物理学家会告诉你电子并不是真的自旋——它们只是表现得像自旋。例如,电子具有角动量,这是一种物体不断旋转的趋势——就像移动的自行车车轮或旋转的滑板——因为它们具有这种性质,人们可能会得出它们在旋转的结论。进一步的证据来自这样一个事实:电子就像小磁铁,磁场产生于旋转的带电体。
电子自旋的概念的问题是,由于它们的微小尺寸,电子必须以比光速更快的速度旋转,才能匹配观测到的角动量值。(把一个电子想象成一个旋转的溜冰者,他们的手臂向内折叠:整体尺寸越小,它旋转得越快。)
加州理工学院哲学助理教授奇普·塞本斯(Chip Sebens)想要重新思考这个概念。作为一名物理学哲学家,他想弄清楚自然界最深层的真实情况。
塞本斯解释说:“哲学家往往被那些长期未解的问题所吸引。”“在量子力学中,我们有方法预测实验结果,对电子和自旋都很有效,但重要的基础问题仍然没有答案:为什么这些方法有效,原子内部发生了什么?”
为此,塞本斯提出了他认为电子和其他亚原子粒子实际上是自旋的理由。答案与磁场有关。
在自然界中,既有粒子也有场。物理学家倾向于认为场比粒子更基本,但物理学哲学家仍在争论哪个实体更基本。例如,光可以被描述为一束光子或电磁场中的波。这一科学领域被称为量子场论。已故加州理工学院物理学家、诺贝尔奖得主理查德·费曼(Richard Feynman)通过创建著名的费曼图(Feynman diagram)来研究这一理论的各个方面,该图描绘了电子和光子等粒子之间的相互作用,间接描述了场。“量子场论是我们所拥有的最好的物理学,”塞本斯说。
在几项研究中,包括最近发表在《合成》(Synthese)杂志上的一篇论文,塞本斯概述了为什么他认为电子不是一个点大小的粒子,只是表现得像在旋转,而是一个展开的电荷团,真正在旋转。回到滑冰运动员的类比,电子就像一个手臂向外伸展的滑冰运动员。
塞本斯说:“在一个原子中,电子通常被描绘成显示电子可能在哪里被找到的云,但我认为电子实际上在物理上是分散在云上的。”
随着电子的大小展开,电子现在足够大,可以避免比光速还要快的问题。塞本斯解释说,在这种情况下,有两个重要的场:电磁场以及以物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)命名的狄拉克场。“就像电磁场描述光子一样,狄拉克场描述电子和正电子,”他说。正电子是电子的反粒子。
这项研究是Sebens整体努力的一部分,目的是回答自然界从根本上是由场还是粒子构成的问题。在同一篇Synthese论文中,塞本斯认为场在本质上更基本。
他的部分论点是基于夸夸其谈。如上所述,场方法可以解释旋转电子引起的混乱。他还认为场方法有助于解决关于电子的另一个重要问题:电子如何对它们所产生的电磁场做出反应?如果电子是一个点大小的电荷球,它所产生的电场在电子所在的位置是无限强的。这意味着场将没有确定的方向,因此没有确定的力,这导致在计算力时出现问题。但如果电子是一个扩展的电荷场,作用在电子不同部分上的力将是有限的,方向是明确的。
“这使得自我互动问题不那么严重,”塞本斯在一篇关于自然基本构件的永旺文章中写道。“但这个问题并没有解决。如果电子的电荷是分散的,为什么电子的各个部分不相互排斥,从而使电子迅速爆炸呢?”
塞本斯正在研究这个自我排斥的问题。他正在研究的这个问题和其他问题的答案可能最终会导致新的更好的方法来计算和测量量子物理学中的量。这项工作甚至可能导致新的方法来回答量子物理学中一个正在进行的问题,即量子测量问题。当测量一个量子系统时,例如一个处于叠加态(同时处于两种状态)的电子,系统将会坍缩,电子将会呈现一种或另一种状态。物理学家仍在争论为什么会发生这种情况。对粒子和场如何工作的基本基础的研究可能有助于解开这个谜团。
塞本斯在《Aeon》的文章中写道:“有时,物理学的进步需要首先重新审视、重新解释和修改我们已有的理论。要做这种研究,我们需要兼具物理学家和哲学家角色的学者,就像几千年前的古希腊那样。”
注:本文由院校官方新闻直译,仅供参考,不代表指南者留学态度观点。