如果电子也有内部结构,那对量子力学的发展有什么作用?

创造不一样的人生

在量子力学中,电子是被当做“点”来处理的,这很违反我们人类的直觉。因为在我们的日常经验里,凡是一个物件都有大小,都可以再分,或都有内部结构。

这种日常经验支撑了一个信念,即电子也许真的可以再分,有物质结构。可惜这种信念是建立在对微观物理学事实及量子力学一无所知的基础上的。

电子具有自旋角动量是个微观物理学事实,并且自旋角动量的量子数是1/2,这意味着电子的自旋可以取向上或向下两种取向,分别对应自旋的z分量是+1/2和-1/2。

电子的自旋,较真的话这个图是错的,因为电子是个点,你没法设想一个点自己在三维空间里有自己围绕自己转的运动。

假如你认为电子有内部结构,电子本身就可以定义一个自己在三维空间里的转动,这种运动就好比是刚体的运动,或者说就好像我们在宏观物理世界中看到的一个足球的运动,足球自己围绕自己轴线的转动也是一种在三维空间里的转动。

这种运动的能量可以表示为角动量的平方除以2倍转动惯量的形式。如果是量子力学的话,我们需要对它做量子化,即把角动量看做是算符。

量子力学的计算就是求本征值问题,角动量算符的平方对应的本征值是l(l+1),我们这里为了方便把普朗克常数取为1。这里的细节是角动量量子数l必须取整数,之所以如此,是要符合波函数的周期性边界条件,即我们让足球围绕自身轴线正好转2π,波函数应当光滑地和角度为0时的波函数接上,这个边界条件导致了l必须是0和正整数。

但斯特恩-盖拉赫实验告诉我们,电子的自旋角动量是1/2,对应的是电子在非均匀磁场中分裂为两束,这说明电子的自旋角动量不能理解为一个有大小(或有内部结构)的物体的运动。

左至右:奥本海默、狄拉克和派斯。

电子自旋为1/2在狄拉克发展的相对论性量子力学中得到了解释,当然在那里电子仍然被当成了点,并且它是一个符合“狭义相对论+量子力学”的物理对象。此后人们又发展了量子场论来进一步研究电子等基本粒子。


物理思维

一个基本的物理知识告诉大家,一个物理体系存在内部结构的基本依据,或基本实验证据是,这个体系存在着“激发态”。这个基本的常识,已经在分子物理、原子物理、原子核物理和高能物理研究中确立了。我们知道,分子、原子、原子核都是存在着“激发态”的。而且,质子和中子,也是存在着“激发态”的。例如,自由质子的“第一激发态”能量约为200MeV,这已经被实验结果所证实。

但是,“自由电子”却没有被观测到有“激发态存在”的实验证据!可能有人会说,电子不是“有轨道”吗?但这是完全的误解。那是指“原子中的束缚态电子”,而不是“自由电子”。在所有的“高能电子碰撞实验”中(包括电子—正电子对撞),都没有观察到“自由电子”有激发态产生。这个客观的物理现象迄今为止,都没有任何“反例”出现。

所以科学家认为,电子是“没有内部结构的粒子”,也就是说,它是一个“基本粒子”无法“再分”。这是基于“科学事实”所做出来的结论。

如果有人坚持认为,“物质无限可分”是一个基于xx的“客观真理”,所以“电子应该可分”。那就不是一个“科学问题”,而是一个“哲学问题”,因为提问的依据不是“科学事实”,而是“哲学理念”。也许可以检查一下“问题基础”——“问题的依据究竟是唯物的,还是唯心的?”最后可能会发现,原来“物质无限可分”的论断,其实基础是基于“理念”,而不是科学事实。


手机用户58903279720

只说我了解的吧。

电子内部结构的可能性之一就是电偶极距(EDM)。

标准模型中计算的EDM,是很小很小小到目前我们无法测量到的地步。

一些超出标准模型的新模型预言了一个比较大的EDM。他们或许是想解决反物质为何很少这个问题,具体我不清楚,但是对EDM的测量,作为新物理的可能的信号,一直在做。至少到我上次看文献为止,没有测到EDM。

所以回答你的问题,如果测到可EDM,说明电子有内部结构,同时说明我们发现了超出标准模型的新物理模型,这些新物理模型可能可以解释为什么现在反物质这么少。

再补充一点吧,看了问题的详细说明以及专家的解答,我说一个比较容易让人误解的地方。

粒子是否有内部结构,和粒子是否有大小,以及粒子是否可分是两回事。

我们主要还是从观测的角度去认识粒子的,粒子的内部结构主要体现在它的形状。比方说粒子是个球对称的,那就没有内部结构了。至于大小,没有一个明确的边缘,是个较为模糊的概念。

至于是否可分,其实也比较模糊。比如强子,像磁铁一样,掰断后不会得到单独的南极北极,而会得到两个新的磁铁,这种情况叫他可分还是不可分呢?电子也是类似,在电磁场中运动的电子可能辐射出一个光子,能看做把它分成了光子和电子吗?那么电子是可分的吗?

我们去“看”粒子的手段目前就是散射了,所以一切都是说散射截面,形状因子。没有内部结构其实意思就是形状是球对称的。


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