我们能操控粒子的形状吗?

瑞士科学家拍摄的光同时表现波粒二象性的照片。德国乌尔姆大学的实验系统德国小组的实验样品——单个氮“缺陷”的人造钻石

我们为什么能看到五彩缤纷的世界?这是因为阳光的存在,有了光,我们才能看到红花绿叶、碧海蓝天。红花绿叶是什么样子,我们可以用许多生动的词汇去描述它们,即使没有见到这些东西的人也能通过我们的描述去想象出来。但是,让我们看到这一切的东西,光线,它是什么样子的呢?我们应该怎么描述它?

光的波动性和粒子性由什么决定?

要描述日常生活中常見的东西,我们有许多方法,形状、颜色、大小等,通过这些性状,即使是没见过这些物品的人也能将物品对号入座。但是对于看不见的粒子,我们却存有许多疑惑,例如最常见的光,我们对它的描述就有过多次的反复。

牛顿根据光遇到光滑的平面会发生反射的现象,提出了光微粒说,他认为光微粒就像宏观的小球一样,遵守力学运动定律,遇到阻碍会发生反弹。惠更斯觉得不可思议,光明明是一束束的,怎么可能是微粒?他认为光是一种波,提出了光波动说。当然我们现在知道,光同时具有波和粒子的双重性质,也就是“波粒二象性”。

直到2015年,瑞士的科学家终于通过实验拍摄到了光同时表现波粒二象性的照片。在照片中,两列光波在空中相遇时会发生叠加,出现条纹,当科学家向光波发射电子流时,电子撞击到光子,速度发生了改变,光波也变成了“颗粒状”。

但是,光不会同时表现波动性和粒子性,当光波相遇时会发生叠加,出现条纹,而不是碰撞后消失,这时光的波动性超越了粒子性;当光波碰到电子流,会发生“碰撞”,改变电子的速度,光的粒子性又压倒了波动性展现出来。这两个性质就犹如“东风”和“西风”,不断争夺着主导权,那么光的波动性和粒子性究竟孰强孰弱,这由什么决定呢?

环境影响粒子的状态

如果想要解开这个谜团,就只能继续做实验了。当然,这样的实验是非常难做的,德国乌尔姆大学的一个研究小组绞尽脑汁,终于“看到”了决定粒子状态的过程。

他们将钻石中的一个碳原子替换成了氮原子。我们知道,原子间的作用力(也叫做化学键)就是电子两两成对的静电作用力,而氮原子比碳原子要多一个电子,在氮原子取代了钻石中原来的碳原子之后,氮原子多出来的一个电子就找不到电子跟它成键,它成为了“孤独”的个体。

在钻石的晶格中,化学键中成对的电子彼此的自旋(自旋是粒子的基本性质,因自旋而产生磁场)状态是相反的,这样它们产生的磁场力可以相互抵消,更加稳定。但是孤独的电子因为没有配对的对象,它拥有着自旋的自由,可能头朝上,也可能头朝下。

但是,这个孤独的电子却不是真正意义上的“孤独”。

钻石虽然是碳原子组成的单质,但是并不全是“碳12”原子,还有大约0.3%的“碳13”(碳的同位素之一,它比常见的“碳12”多一个中子),“碳12”的原子核是电力和磁力都平衡的稳定原子核,但是“碳13”的原子核磁力并不平衡,它的磁力会影响到“孤独电子”的自旋状态。

科研小组发现,平均每个“孤独电子”会和附近的四个“碳13”原子核产生相互吸引的磁力,自旋方向受到“碳13”原子的影响,它的自旋方向是固定的,不再那么自由,而且检测越多的“碳13”原子包围圈,孤独电子的自旋方向越确定,这说明我们可以通过检测环境的状态预测到粒子的状态了。

几乎同时,中国和意大利的科学家也分别独立构建了另一种实验系统,他们的实验结果同样证明了,粒子的状态会受到周边环境的影响。

通过这些实验,我们可以得到这样的结论,尽管量子世界的粒子们的很多性状我们还不知道为什么这样呈现,但是,粒子的最终优势状态,是周边环境“选择”出来的。就像钻石中的“孤独电子”,它的自旋状态会受到其周围的四个“碳13”原子核的影响一样,光的波动性和粒子性谁更占优势,也会受到周边环境的影响。

那么,未来我们可以改变粒子的性状吗?比如改变光粒子的优势状态、铀粒子的衰变时间,甚至改变反粒子所带的电荷?也许这一切都可能实现,因为改变粒子的周边环境,我们就可能控制粒子的性状。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年11月1日 上午8:11。
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