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第四章 不确定性原理(4 / 5)

有一个电子被发出通过狭缝,人们会以为,每个电子只穿过其中的一条缝,这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样——屏幕会给出一个均匀的分布。然而,实际上即使电子是一个一个地发出,条纹仍然出现,所以每个电子必须在同一时刻通过两个小缝!

粒子间的干涉现象,对于我们理解作为化学和生物以及由之构成我们和我们周围的所有东西的基本单元的原子的结构是关键的。在本世纪初,人们认为原子和行星绕着太阳公转相当类似,在这儿电子(带负电荷的粒子)绕着带正电荷的中心的核转动。正电荷和负电荷之间的吸引力被认为是用以维持电子的轨道,正如同行星和太阳之间的万有引力用以维持行星的轨道一样。麻烦在于,在量子力学之前,力学和电学的定律预言,电子会失去能量并以螺旋线的轨道落向并最终撞击到核上去。这表明原子(实际上所有的物质)都会很快地坍缩成一种非常紧密的状态。丹麦科学家尼尔斯·玻尔在1913年,为此问题找到了部分的解答。他认为,也许电子不能允许在离中心核任意远的地方,而只允许在一些指定的距离处公转。如果我们再假定,只有一个或两个电子能在这些距离上的任一轨道上公转,那就解决了原子坍缩的问题。因为电子除了充满最小距离和最小能量的轨道外,不能进一步作螺旋运动向核靠近。

对于最简单的原子——氢原子,这个模型给出了相当好的解释,这儿只有一个电子绕着氢原子核运动。但人们不清楚如何将其推广到更复杂的原子去。并且,对于可允许轨道的有限集合的思想显得非常任意。量子力学的新理论解决了这一困难。原来一个绕核运动的电荷可看成一种波,其波长依赖于其速度。对于一定的轨道,轨道的长度对应于整数(而不是分数)倍电子的波长。对于这些轨道,每绕一圈波峰总在同一位置,所以波就互相迭加;这些轨道对应于玻尔的可允许的轨道。然而,对于那些长度不为波长整数倍的轨道,当电子绕着运动时,每个波峰将最终被波谷所抵消;这些轨道是不能允许的。

美国科学家里查德·费因曼引入的所谓对历史求和(即路径积分)的方法是一个波粒二像性的很好的摹写。在这方法中,粒子不像在经典亦即非量子理论中那样,在时空中只有一个历史或一个轨道,而是认为从A到B粒子可走任何可能的轨道。对应于每个轨道有一对数:一个数表示波的幅度;另一个表示在周期循环中的位置(即相位)。从A走到B的几率是将所有

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