原创 为什么所有的电子都一模一样?
创始人
2025-10-11 19:33:09
0

在我们的物理学中,电子被认为是全同粒子(identical particles),什么意思呢?简单讲就是,对于所有的电子来讲,无论其来源如何,它们都具有一模一样的内禀属性(如静质量、电荷、自旋、磁矩等)。

比如说你有两个电子,如果你让它们互相接近,进而使其波函数发生重叠,那么它们就会成为没有个体身份的同一种存在,在这种情况下,你就无法单独指认其中的某一个电子,而只能将其视为一个整体,只能说“这里有两个电子”。

实际上,在过去的一百多年时间里,物理学家用尽了各种方法,把测量精度推向了极致,试图在实验中找出电子之间的哪怕一丝一毫的不同。结果呢?一无所获。物理学家发现,无论电子来自哪里、何时产生,它们的内禀属性都是一模一样的。

另一方面来讲,即使从理论上来讲,电子也应该是全同粒子,因为如果不是这样的话,我们熟悉的世界将不复存在。

举个例子,相信大家都听说过泡利不相容原理,其内容简单来讲就是,对于同种类型的“费米子”来讲,它们不愿意其他的小伙伴与自己占据相同的量子态。

简单来讲,所谓“费米子”就是构成物质的粒子,所以电子当然属于“费米子”,它们会遵循泡利不相容原理。

而根据能量最低原理,宇宙万物都会自发地倾向于能量最低状态,所以原子中的电子都会自发地向能量最低的轨道跃迁,但由于泡利不相容原理的限制,它们并不能全都挤在能量最低的轨道上,而是会从能量最低的轨道开始,一个一个地填满。

比如说第一个轨道(1s轨道)最多只能容纳两个自旋相反的电子,填满了就得去能量更高一点的第二个轨道(2s, 2p轨道),第二个轨道填满了,就得去第三个……

就这样,电子们被迫占据了不同的能层和轨道,形成了我们熟悉的原子电子层结构,而正是这种结构,决定各种元素的化学性质。

然而这样的情况有一个重要前提就是,所有的电子都是全同粒子。因为如果电子彼此略有不同,那么泡利不相容原理也就失效了,在这种情况下,原子电子层结构就会变得混乱不堪,化学周期律也会消失,我们熟悉的世界也将不复存在。

那么,为什么所有的电子都一模一样呢?这个问题可以通过量子场论来进行合理的解释。

简而言之,量子场论建立基于经典场论,狭义相对论和量子力学,是粒子物理标准模型的数学基础和理论框架,该理论认为,场是比粒子更基本的物质状态,任何粒子都是场的量子激发,每一种粒子都有自己相应的场,这些场充满了整个宇宙。

在量子场论中,电子对应的就是“电子场”,这个“电子场”可视为充斥着整个宇宙的一个量子场,无论在哪个地方,其性质完全相同,由于每个电子都是这个场的量子激发,因此它们能量、电荷、自旋、磁矩等内禀属性就都是一模一样的。

当然了,其他的解释也有,比如说单电子宇宙论认为,宇宙中可能只有一个电子,这个电子在时空中不断穿梭、折返,它沿时间正方向运动时表现为电子,沿时间反方向运动时则表现为正电子(电子的反粒子),由于这个电子的世界线在宇宙时空中交错无数次,我们才会在不同的时空节点看到大量的电子。

又比如说虚拟宇宙论认为,我们所在的宇宙,可能是由计算机程序模拟出来的,在这种情况下,程序就可能会定义一个“电子类”,并为这个类设定好一套标准属性,如此一来,需要多少个电子,就可以实例化多少个电子,由于所有电子的底层代码都是完全相同的,它们自然也就一模一样了。

不过由于这些解释都有点玄乎,因此并没有获得普遍认可。总体来说,基于量子场论的解释目前最被科学界接受,因为它能在已知理论框架中自洽地说明电子的全同性。但话说回来,这也只是我们当下的理解,或许宇宙中仍藏着更深的秘密。

相关内容

辽宁芯峻电气取得嵌入式海上...
国家知识产权局信息显示,辽宁芯峻电气有限公司取得一项名为“一种嵌入...
2025-12-23 22:14:22
股票行情快报:茂硕电源(0...
证券之星消息,截至2025年12月23日收盘,茂硕电源(00266...
2025-12-23 22:14:13
爱科赛博:本月中旬中标BE...
爱科赛博在互动平台表示,本月中旬公司陆续中标BEST系统内真空室快...
2025-12-23 22:14:11
欧陆通:已推出钛金和超钛金...
欧陆通在互动平台表示,公司主要产品包括电源适配器、 数据中心电源和...
2025-12-23 22:14:09
中国长江三峡集团取得风光储...
国家知识产权局信息显示,中国长江三峡集团有限公司取得一项名为“一种...
2025-12-23 22:14:08
南都电源:实施股份回购及增...
证券之星消息,南都电源(300068)12月22日在投资者关系平台...
2025-12-23 22:14:00
半导体设备板块高开高走,关...
科技方向今日局部活跃,半导体设备板块高开高走、强势领涨,指数层面,...
2025-12-23 22:13:47
耐心之城:南京的芯片投资哲...
文 | 陶魏斌 有一种投资,叫等得起。 2025年12月17日,沐...
2025-12-23 22:13:09
雷达与空间电子技术专家黄培...
雷达与空间电子技术专家黄培康院士逝世 中国共产党党员、中国工程院院...
2025-12-23 22:12:34

热门资讯

辽宁芯峻电气取得嵌入式海上风电... 国家知识产权局信息显示,辽宁芯峻电气有限公司取得一项名为“一种嵌入式海上风电用塔筒变压器”的专利,授...
超导概念板块12月23日跌0.... 证券之星消息,12月23日超导概念板块较上一交易日下跌0.89%,华菱线缆领跌。当日上证指数报收于3...
Counterpoint:半导... IT之家 12 月 23 日消息,Counterpoint Research 本月 22 日报告称,...
12月23日科创芯片(0006... 证券之星消息,12月23日,科创芯片(000685)指数报收于2581.36点,涨0.96%,成交5...
中国凭借升级老旧ASML光刻机... 【尽管面临出口限制,中国半导体制造商仍在升级设备以生产更先进的芯片。据《金融时报》报道,他们通过升级...
中天精装:参股公司ABF载板可... 中天精装在互动平台表示,公司参股企业科睿斯 半导体科技(东阳)有限公司主营业务中的ABF载板产品可以...
软通动力:完成近10款国产芯片... 证券之星消息,软通动力(301236)12月23日在投资者关系平台上答复投资者关心的问题。 投资者:...
科翔股份拟募资2.87亿元用于... 雷达财经 文|冯秀语 编|李亦辉 12月23日,科翔股份(证券代码:300903)公告,公司计划以简...
石门二路街道试点电子投票,基层... “如何应对业主对公共收益五花八门的使用建议?”日前,一场精彩的“社区治理专家门诊”在静安区石门二路街...
国显光电取得显示面板及其驱动方... 国家知识产权局信息显示,昆山国显光电有限公司取得一项名为“显示面板及其驱动方法、显示装置”的专利,授...