在量子物理领域对“微小电子”的定义,它和宇宙有什么关系?

时间:2019-07-09 来源:www.0606288.com

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量子物理学领域的“微电子学”定义。它与宇宙有什么关系?

作者:文/俞子

在这个时候,当你回想起高中时代时,你会首先在脑海中看到什么样的画面?你还记得高中科学书中提到的电子产品吗?如果你还记得书中的电子形状和相应的解释,你应该熟悉这句话:电子是比原子更小的负电荷球。然而,随着我们年龄的增长,科学的进步和积累的知识,我们逐渐认识到这些与事实的电子属性相去甚远。

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围绕着我们的世界的主要组成部分之一是电子。围绕每个核的电子决定了相关的化学反应如何进行。这些知识广泛应用于现代工业,从电子和焊接到成像和先进的粒子加速器。如果在物理实验中,电子被放置在科学探究的中心,那么电子的形状会是什么样的呢?这是一个看似简单但非常困难的问题。

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根据物理学家所知,电子没有内部结构,所以电子这个词的最典型含义是没有形状。在现代语言中,小于核的物体的行为可以通过粒子物理学来解决:“量子汤”是一种连续的“流动物质”,是可以渗透到我们周围整个空间的基本物质块。在这种特定的语言中,电子被视为“电子场”或量子的粒子。

如果你能理解上述内容,直接通过显微镜或任何其他光学设备看到电子的形状是否有意义?首先,当我们调整形状的定义时,才有可能回答这个问题。该定义可用于量子物理学领域,换句话说,它可用于非常小的距离。在宏观世界中,我们看到不同的形状,这意味着我们的眼睛也能够检测和反射来自我们周围不同物体的反射光。

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这是一种看似奇怪的思维方式,通过观察物体照亮它们时的反应来定义它们的形状。但这种方式是量子原子亚原子世界的一种非常有用的形式,它为我们提供了一种定义电子属性的方法,同时模仿了我们在古典世界中描述形状的方式。究竟什么取代了微观世界中的基本形状概念?因为光只是振荡磁场和电场的组合,所以定义电子的量子特性是非常有用的。施加的磁场和电场,目标电子将携带有关它如何响应的信息。

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我们可以从充电电子的最简单特征开始。如果放置在某个特定的外部电场中,它不仅描述了力,而且最终描述了电子将经历的加速度。一个简单的例子可以更生动地说明:在基础物理书籍中,电子与“带电球”的类比,带负电的大理石也可以做出类似的反应。

形磁铁非常相似,总是试图沿着磁场方向定向。即使你不能过多地使用这个类比,这是一个非常重要的事情要记住。然而,它们的存在确实有助于我们理解一些关键点,例如为什么物理学家应该尽可能准确地测量这些量子特性。

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量子性质对于描述电子的形状意味着什么?事实上,物理学家有几个最简单和最有用的指令,即电偶极矩和EDM。经典物理中的EDM发生在电荷空间分离时。如果存在没有电荷分离的带电球体,则其EDM值应为零。

当哑铃的重量反转时,将存在一侧为负侧且一侧为正侧的情况。宏观世界中的“哑铃”具有“非零电偶极矩”。如果物体的形状决定了电荷的分布,这意味着物体的形状必须与球体的形状不同,这就是EDM将量化宏观物体“哑铃”的原因。

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然而,在量子世界中,EDM的故事却完全不同。在这个世界上,电子周围的真空与其名称不匹配,即:这个真空不是空的。相比之下,这个“真空”空间在充满各种亚原子兴趣后是一种短暂的虚拟存在。在电子周围,这些虚拟粒子形成“云”。在这一点上,只需要在这些电子上照射光,并且一些光可以从云中的虚拟粒子反弹,而不是从电子本身反射。

这些反应是什么意思?电子充电和磁偶极矩值都会改变!通过精确测量量子特性,我们可以捕获电子和虚拟粒子的相互作用,以及电子的EDM是否也会发生变化。其中最有趣的是我们可能会发现未知的粒子类型。通过比较当前公认的宇宙理论(标准模型)中计算出的EDM尺寸理论和测量结果,然后观察它们对电子偶极矩的影响。

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在现有标准模型的情况下,提出理论模型的原因是为了解决现有模型的缺点,达到预测新重粒子存在的目的。通过这些模型,我们可以填补当前对宇宙认识的空白。模型的验证可以通过新的重粒子的存在来证明。同时,我们还可以了解这些新粒子如何改变“云”中的电荷分布以及对电子EDM的影响。因此,通过观察ACME实验中的电子偶极矩,可以证明确实有新的粒子,这是实验的最终目标。

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