<p>在宇宙中所有物質(zhì)的深處，電子都在嗡嗡作響，它們的行為就像旋轉(zhuǎn)的陀螺一樣，在它們的軸上旋轉(zhuǎn)。這些&ldquo;自旋&rdquo;電子是量子物理學(xué)的基礎(chǔ)，在我們理解原子和分子中起著核心作用。其他亞原子粒子也會(huì)自旋，對(duì)自旋的研究在化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域都有技術(shù)應(yīng)用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是許多物理學(xué)家會(huì)告訴你電子并不是真的自旋&mdash;&mdash;它們只是表現(xiàn)得像自旋。例如，電子具有角動(dòng)量，這是一種物體不斷旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)&mdash;&mdash;就像移動(dòng)的自行車車輪或旋轉(zhuǎn)的滑板&mdash;&mdash;因?yàn)樗鼈兙哂羞@種性質(zhì)，人們可能會(huì)得出它們?cè)谛D(zhuǎn)的結(jié)論。進(jìn)一步的證據(jù)來自這樣一個(gè)事實(shí):電子就像小磁鐵，磁場(chǎng)產(chǎn)生于旋轉(zhuǎn)的帶電體。</p> <p>&nbsp;</p> <p>電子自旋的概念的問題是，由于它們的微小尺寸，電子必須以比光速更快的速度旋轉(zhuǎn)，才能匹配觀測(cè)到的角動(dòng)量值。(把一個(gè)電子想象成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的溜冰者，他們的手臂向內(nèi)折疊:整體尺寸越小，它旋轉(zhuǎn)得越快。)</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州理工學(xué)院哲學(xué)助理教授奇普&middot;塞本斯(Chip Sebens)想要重新思考這個(gè)概念。作為一名物理學(xué)哲學(xué)家，他想弄清楚自然界最深層的真實(shí)情況。</p> <p>&nbsp;</p> <p>塞本斯解釋說:&ldquo;哲學(xué)家往往被那些長(zhǎng)期未解的問題所吸引。&rdquo;&ldquo;在量子力學(xué)中，我們有方法預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)電子和自旋都很有效，但重要的基礎(chǔ)問題仍然沒有答案:為什么這些方法有效，原子內(nèi)部發(fā)生了什么?&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>為此，塞本斯提出了他認(rèn)為電子和其他亞原子粒子實(shí)際上是自旋的理由。答案與磁場(chǎng)有關(guān)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在自然界中，既有粒子也有場(chǎng)。物理學(xué)家傾向于認(rèn)為場(chǎng)比粒子更基本，但物理學(xué)哲學(xué)家仍在爭(zhēng)論哪個(gè)實(shí)體更基本。例如，光可以被描述為一束光子或電磁場(chǎng)中的波。這一科學(xué)領(lǐng)域被稱為量子場(chǎng)論。已故加州理工學(xué)院物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德&middot;費(fèi)曼(Richard Feynman)通過創(chuàng)建著名的費(fèi)曼圖(Feynman diagram)來研究這一理論的各個(gè)方面，該圖描繪了電子和光子等粒子之間的相互作用，間接描述了場(chǎng)。&ldquo;量子場(chǎng)論是我們所擁有的最好的物理學(xué)，&rdquo;塞本斯說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在幾項(xiàng)研究中，包括最近發(fā)表在《合成》(Synthese)雜志上的一篇論文，塞本斯概述了為什么他認(rèn)為電子不是一個(gè)點(diǎn)大小的粒子，只是表現(xiàn)得像在旋轉(zhuǎn)，而是一個(gè)展開的電荷團(tuán)，真正在旋轉(zhuǎn)?；氐交\(yùn)動(dòng)員的類比，電子就像一個(gè)手臂向外伸展的滑冰運(yùn)動(dòng)員。</p> <p>&nbsp;</p> <p>塞本斯說:&ldquo;在一個(gè)原子中，電子通常被描繪成顯示電子可能在哪里被找到的云，但我認(rèn)為電子實(shí)際上在物理上是分散在云上的。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著電子的大小展開，電子現(xiàn)在足夠大，可以避免比光速還要快的問題。塞本斯解釋說，在這種情況下，有兩個(gè)重要的場(chǎng):電磁場(chǎng)以及以物理學(xué)家保羅&middot;狄拉克(Paul Dirac)命名的狄拉克場(chǎng)。&ldquo;就像電磁場(chǎng)描述光子一樣，狄拉克場(chǎng)描述電子和正電子，&rdquo;他說。正電子是電子的反粒子。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究是Sebens整體努力的一部分，目的是回答自然界從根本上是由場(chǎng)還是粒子構(gòu)成的問題。在同一篇Synthese論文中，塞本斯認(rèn)為場(chǎng)在本質(zhì)上更基本。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他的部分論點(diǎn)是基于夸夸其談。如上所述，場(chǎng)方法可以解釋旋轉(zhuǎn)電子引起的混亂。他還認(rèn)為場(chǎng)方法有助于解決關(guān)于電子的另一個(gè)重要問題:電子如何對(duì)它們所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)做出反應(yīng)?如果電子是一個(gè)點(diǎn)大小的電荷球，它所產(chǎn)生的電場(chǎng)在電子所在的位置是無限強(qiáng)的。這意味著場(chǎng)將沒有確定的方向，因此沒有確定的力，這導(dǎo)致在計(jì)算力時(shí)出現(xiàn)問題。但如果電子是一個(gè)擴(kuò)展的電荷場(chǎng)，作用在電子不同部分上的力將是有限的，方向是明確的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這使得自我互動(dòng)問題不那么嚴(yán)重，&rdquo;塞本斯在一篇關(guān)于自然基本構(gòu)件的永旺文章中寫道。&ldquo;但這個(gè)問題并沒有解決。如果電子的電荷是分散的，為什么電子的各個(gè)部分不相互排斥，從而使電子迅速爆炸呢?&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>塞本斯正在研究這個(gè)自我排斥的問題。他正在研究的這個(gè)問題和其他問題的答案可能最終會(huì)導(dǎo)致新的更好的方法來計(jì)算和測(cè)量量子物理學(xué)中的量。這項(xiàng)工作甚至可能導(dǎo)致新的方法來回答量子物理學(xué)中一個(gè)正在進(jìn)行的問題，即量子測(cè)量問題。當(dāng)測(cè)量一個(gè)量子系統(tǒng)時(shí)，例如一個(gè)處于疊加態(tài)(同時(shí)處于兩種狀態(tài))的電子，系統(tǒng)將會(huì)坍縮，電子將會(huì)呈現(xiàn)一種或另一種狀態(tài)。物理學(xué)家仍在爭(zhēng)論為什么會(huì)發(fā)生這種情況。對(duì)粒子和場(chǎng)如何工作的基本基礎(chǔ)的研究可能有助于解開這個(gè)謎團(tuán)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>塞本斯在《Aeon》的文章中寫道:&ldquo;有時(shí)，物理學(xué)的進(jìn)步需要首先重新審視、重新解釋和修改我們已有的理論。要做這種研究，我們需要兼具物理學(xué)家和哲學(xué)家角色的學(xué)者，就像幾千年前的古希臘那樣。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>