像甜甜圈一样波动:电子电荷在空间中的分布方式
20.01.2021

研究人员进行了计算并提出了一种实验方案,其中德布罗意的电子波看起来像一个甜甜圈(所谓的旋流电子),并发出电磁波,好像电荷不在一个很小的区域内,而是分布在整个甜甜圈中。 如果计算结果在实验中得到证实,这将意味着电子在保留基本粒子的同时,可以在一定条件下将自身表现为具有一定空间电荷分布的物体。

在现代电子显微镜中,电子波的尺寸可以达到毫米比电子的量子尺寸大数百亿倍。 因此,电荷在哪个空间区域中存在的问题对于基本理解基本粒子的性质和电子显微镜而言都起着基本作用。

研究结果发表在《物理评论A》杂志上。该研究得到了俄罗斯科学基金会的资助。 该项目由托国立物理学理论和数学物理实验室的高级研究员德米特里·卡洛维兹领导。

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基本粒子, 电子,正电子,μ子和其他粒子的行为可能像波。这种概率波所在的空间区域通常称为电子坐标的不确定性。 “不确定性” 这个名词非常明确地表明,我们不知道在这个虚拟波中的确切位置,是一个真正的电子,它的古典尺寸约为一个飞米(十亿分之一米的百万分之一),或者一个量子尺寸则约为一百飞米。根据广泛的解释,如果我们可以准确确定电子在概率波中的位置,则不确定性将消失并且该波将不复存在-它将发生 “崩溃”。这种观点与包括电磁波发射在内的众多实验是一致的:电子总是发射的波不像是空间扩展的波,而是像带电荷的小球一样位于很小的空间区域。

像更熟悉的光子波一样,概率波(光粒子)在传播时总是散布开来,它们变得更宽,坐标不确定性增加。从量子力学的最开始,这种性质通常被视为理论上的某种缺陷,仅与我们对电子确切位置的无知有关。最近对这种电子的发射进行的实验表明,即使这样,这种波仍在发射,好像其中有一个很小的带电球,并且波的所有电荷都集中在该球内部。

但是,这种波还有另一种“非点式”解释:电子电荷可以表示为像许多粒子束一样涂抹在整个波上,但总电荷等于一个电子的电荷。在过去的十年中,物理学家已经学会了以各种形式塑造这种波,特别是彩虹和甜甜圈的形状。如果对电子波的第一个“点”解释是唯一可能的,那么概率波的形状和大小将不会影响这种电子参与的物理过程。但是,研究人员知道事实并非如此-它会产生影响。如果不直接测量电子在电子云内部空间中的位置,它的行为也可以像某种形状的电子云。

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高级研究员,俄罗斯科学基金会物理学和数学博士学位的项目经理德米特里·卡洛维兹解释说:“在我们的工作中,我们提出了一种实验方案,其中电子波具有甜甜圈的形状所谓的“扭曲的电子”并发出电磁波,就好像电荷不在小范围内而是散布在整个云中一样。这是由于以下事实:高度非对称形状的波(不是球形,而是例如椭圆形,甜甜圈形或彩虹形)获得了称为电四极矩的附加内部特性。这样的实验可以包括一个金属衍射光栅,电子可以在该金属衍射光栅附近移动。”

计算表明,特定的波形会产生不同寻常的效果,辐射的非线性放大,其结果是这种扭曲的电子将辐射所有能量,并且比正常电子停止更快。

德米特里·卡洛维兹说:“如果我们的计算结果在实验中得到证实,这将意味着概率波的第二种“非点式” 解释也是可能实现的,并且电子本身(仍是基本粒子)在某些条件下可以将自身表现为具有一定电荷空间分布的物体。至关重要的是,这样的实验不需要使用昂贵的设备,而需要在包括俄罗斯实验室在内的许多实验室中使用的常规电子显微镜。”

 

资料来源:俄罗斯科学基金会新闻处