讓電子飛 《讓子彈飛》是2010年由薑文、周潤發、葛優主演的一部大片。電影中眾 多頗有深意的臺詞成了網路紅詞，讓人叫好。其中一句“讓子彈再飛一會”紅極 一時。這兒我們也借用一下這個名字，順著這飛行的電子，來回味一下近現代物 理的輝煌。 早在古希臘時期人們就發現摩擦過的琥珀可以吸引輕小物體，並把這個現象 叫做電現象。到18世紀，美國人本傑明·富蘭克林通過風箏實驗證實閃電同摩擦 起電的“電”是同一種電，使得人們對電的認識進一步加深。然而，真正發現電 子的，是英國人JJ湯姆遜。 其實，早在1858年，德國的蓋斯勒就製造出了低壓氣體放電管，可以在陰 極發出螢光。1876年德國人戈爾茲坦認為這是一種陰極射線。然而關於這種射 線究竟為物爭論竟長達20年，才由湯姆遜的實驗無可辯駁的證明。湯姆遜的實 驗其實很簡單，他利用塗有硫化鋅的玻璃片作為底片，首先觀测到了射線的軌跡。 之後，湯姆遜分別加上電場和磁場後觀察到軌跡發生了偏轉，從而證明射線是由 帶電粒子組成。接下來，湯姆遜又利用通過調整電場跟磁場，使得射線的軌跡又 變成了一條直線，從而得出了該帶電粒子的核質比。實驗测得的核質比是一個驚 人的數字，遠遠大於當時己知的氩原子的核質比。湯姆遜對於發現這種一種帶負 電的品質非常小的新粒子十分興奮，並且將其命名為電子。從此，我們的電子的 飛行開始了。 讓我們暫時先把電子想像成一群帶電的小球，這樣的一群小球的定向運動就 可以產生電流。所以電流就是在宏觀尺度，也就是所謂經典意義下的一群電子的 定向飛行。對於電流的研究人們己經相當深刻，從最初的奥斯特以及法拉第關於 電磁互生的研究，到如今超大規模積體電路的發展，都是人們對於不同大小電流 的研究。在這一過程中根本性的理論突破就是麥克斯韋方程組。這個由四個方程 組成的方程組描述了電荷密度、電場強度、磁場感應強度以及電流密度在空間上 與時間上的關係。換言之，電磁的所有參量都被它描述了。這是一個令人極為驚 歎的精美的理論，經典的電磁理論的宏偉鐘樓就是構建在其之上和諧的嘀嗒運 轉。而在應用上我們生活中跟電有關的相當多的產品都是利用的經典電磁理論， 比如手機，老式電視機等等。大尺度下飛翔的電子已經為我們帶來了如此多的奇 跡。 有人說基礎物理的發展就是在不停的向小數點後面的精度邁進。這種說法是 有一定道理的。經典的理論在分子原子尺度下就失去了其作用。麥克斯韋方程組 也不例外。1905年，愛因斯坦提出了光量子理論，成功解釋了光電效應。其後 康普頓散射實驗進一步證實了光量子理論的正確性。但是，波動光學己經被信奉 了數百年，這個理論還是讓老一輩物理學家不住搖頭。可是誰料到1924年，一 個32歲的年輕的法國人路易·維克多·德布羅意提出了一個更加叛逆的觀點：電子 既是波又是粒子。進而提出了物質波的理論。這個理論自然起初不怎麼受待見
讓電子飛 《讓子彈飛》是 2010 年由薑文、周潤發、葛優主演的一部大片。電影中眾 多頗有深意的臺詞成了網路紅詞，讓人叫好。其中一句“讓子彈再飛一會”紅極 一時。這兒我們也借用一下這個名字，順著這飛行的電子，來回味一下近現代物 理的輝煌。 早在古希臘時期人們就發現摩擦過的琥珀可以吸引輕小物體，並把這個現象 叫做電現象。到 18 世紀，美國人本傑明·富蘭克林通過風箏實驗證實閃電同摩擦 起電的“電”是同一種電，使得人們對電的認識進一步加深。然而，真正發現電 子的，是英國人 J.J.湯姆遜。 其實，早在 1858 年，德國的蓋斯勒就製造出了低壓氣體放電管，可以在陰 極發出螢光。1876 年德國人戈爾茲坦認為這是一種陰極射線。然而關於這種射 線究竟為物爭論竟長達 20 年，才由湯姆遜的實驗無可辯駁的證明。湯姆遜的實 驗其實很簡單，他利用塗有硫化鋅的玻璃片作為底片，首先觀測到了射線的軌跡。 之後，湯姆遜分別加上電場和磁場後觀察到軌跡發生了偏轉，從而證明射線是由 帶電粒子組成。接下來，湯姆遜又利用通過調整電場跟磁場，使得射線的軌跡又 變成了一條直線，從而得出了該帶電粒子的核質比。實驗測得的核質比是一個驚 人的數字，遠遠大於當時已知的氫原子的核質比。湯姆遜對於發現這種一種帶負 電的品質非常小的新粒子十分興奮，並且將其命名為電子。從此，我們的電子的 飛行開始了。 讓我們暫時先把電子想像成一群帶電的小球，這樣的一群小球的定向運動就 可以產生電流。所以電流就是在宏觀尺度，也就是所謂經典意義下的一群電子的 定向飛行。對於電流的研究人們已經相當深刻，從最初的奧斯特以及法拉第關於 電磁互生的研究，到如今超大規模積體電路的發展，都是人們對於不同大小電流 的研究。在這一過程中根本性的理論突破就是麥克斯韋方程組。這個由四個方程 組成的方程組描述了電荷密度、電場強度、磁場感應強度以及電流密度在空間上 與時間上的關係。換言之，電磁的所有參量都被它描述了。這是一個令人極為驚 歎的精美的理論，經典的電磁理論的宏偉鐘樓就是構建在其之上和諧的嘀嗒運 轉。而在應用上我們生活中跟電有關的相當多的產品都是利用的經典電磁理論， 比如手機，老式電視機等等。大尺度下飛翔的電子已經為我們帶來了如此多的奇 跡。 有人說基礎物理的發展就是在不停的向小數點後面的精度邁進。這種說法是 有一定道理的。經典的理論在分子原子尺度下就失去了其作用。麥克斯韋方程組 也不例外。1905 年，愛因斯坦提出了光量子理論，成功解釋了光電效應。其後 康普頓散射實驗進一步證實了光量子理論的正確性。但是，波動光學已經被信奉 了數百年，這個理論還是讓老一輩物理學家不住搖頭。可是誰料到 1924 年，一 個 32 歲的年輕的法國人路易·維克多·德布羅意提出了一個更加叛逆的觀點：電子 既是波又是粒子。進而提出了物質波的理論。這個理論自然起初不怎麼受待見
但是愛因斯坦非常推崇這個年輕人的工作。最終這個猜想被電子衍射實驗證實。 進一步證明這個實驗的是被譽為二十世紀十大最美物理實驗之首的電子雙缝干 涉實驗。我們知道托馬斯·楊的雙缝干涉實驗證明了光的波動性，如今以同樣的 實驗装置，只不過此時光源變成了電子槍，做同樣的實驗時我們竟然發現電子居 然顯現出了同樣的干涉條紋。即便我們是把電子一個一個地（以電子的最小電量） 的打向螢幕，在經過了幾個小時之後，神秘的干涉條紋又出現了。由此，我們的 確相信了電子的確表現出了波的特性。但是似乎有哪里不對。沒錯，如果要是一 個波的話，那麼怎麼會一次只出現一個點呢？而不是像光一樣一點點的加強？這 說明，這裹的波跟我們一般意義下的波是不一樣的。經典力學無法給出解釋，只 有量子力學給出了概率波的解釋：電子的波不是一般意義下的波，而是內在的表 明了電子在某個地方出現的概率。每次觀测得到的結果是服從一定概率分佈的， 而這也就是干涉條紋分佈的形式。所以，如果我們能把一個光子一個光子的打過 去的話，可以預見，它與電子的結果是一致的。 量子力學的應運而生給了電子飛翔更多的本質解釋。我們利用電子的這些性 質在量子阱半導體器件製作上大顯身手，在超導方面亦取得了突破性的BCS理 論。科技又向前進步了一大步。然而，1905年愛因斯坦提出的另一個廣為人知 的理論相對論卻同量子力學難以自洽。難道量子力學說的這些是錯的嗎？“讓電 子飛一會。”1928年狄拉克說。於是，他提出了狄拉克方程，建立了相對論薛定 諤方程，滿足相對論要求的同時預言了正電子的存在。狄拉克方程的解包含了兩 個電子，各有正負1/2自旋，但是有一個具有負能量。這是一個看上去很荒謬的 結論。但是狄拉克大膽提出真空就是由無窮無盡的正電子海所填充，在一定能量 下正電子負電子會被激發出來。終於，1932年美國加州理工學院安德森宣佈發 現了正電子，證實了狄拉克的理論。量子力學邁入了量子場論的時代。 如今，量子場論的標準模型已經基本隨著類希格斯粒子的發現被證實。然而 我們還在憧憬著超弦理論，憧憬著更多物理的奧秘。那麼，就讓電子再飛一會吧， 熱切地看看它將會引領我們走進什麼樣的下一個時代
但是愛因斯坦非常推崇這個年輕人的工作。最終這個猜想被電子衍射實驗證實。 進一步證明這個實驗的是被譽為二十世紀十大最美物理實驗之首的電子雙縫干 涉實驗。我們知道托馬斯·楊的雙縫干涉實驗證明了光的波動性，如今以同樣的 實驗裝置，只不過此時光源變成了電子槍，做同樣的實驗時我們竟然發現電子居 然顯現出了同樣的干涉條紋。即便我們是把電子一個一個地（以電子的最小電量） 的打向螢幕，在經過了幾個小時之後，神秘的干涉條紋又出現了。由此，我們的 確相信了電子的確表現出了波的特性。但是似乎有哪里不對。沒錯，如果要是一 個波的話，那麼怎麼會一次只出現一個點呢？而不是像光一樣一點點的加強？這 說明，這裏的波跟我們一般意義下的波是不一樣的。經典力學無法給出解釋，只 有量子力學給出了概率波的解釋：電子的波不是一般意義下的波，而是內在的表 明了電子在某個地方出現的概率。每次觀測得到的結果是服從一定概率分佈的， 而這也就是干涉條紋分佈的形式。所以，如果我們能把一個光子一個光子的打過 去的話，可以預見，它與電子的結果是一致的。 量子力學的應運而生給了電子飛翔更多的本質解釋。我們利用電子的這些性 質在量子阱半導體器件製作上大顯身手，在超導方面亦取得了突破性的 BCS 理 論。科技又向前進步了一大步。然而，1905 年愛因斯坦提出的另一個廣為人知 的理論相對論卻同量子力學難以自洽。難道量子力學說的這些是錯的嗎？“讓電 子飛一會。”1928 年狄拉克說。於是，他提出了狄拉克方程，建立了相對論薛定 諤方程，滿足相對論要求的同時預言了正電子的存在。狄拉克方程的解包含了兩 個電子，各有正負 1/2 自旋，但是有一個具有負能量。這是一個看上去很荒謬的 結論。但是狄拉克大膽提出真空就是由無窮無盡的正電子海所填充，在一定能量 下正電子負電子會被激發出來。終於，1932 年美國加州理工學院安德森宣佈發 現了正電子，證實了狄拉克的理論。量子力學邁入了量子場論的時代。 如今，量子場論的標準模型已經基本隨著類希格斯粒子的發現被證實。然而 我們還在憧憬著超弦理論，憧憬著更多物理的奧秘。那麼，就讓電子再飛一會吧， 熱切地看看它將會引領我們走進什麼樣的下一個時代