蓝色圆柱体内的一个液态氦罐使研究人员能够用直径仅为3.6纳米的微小电子气泡进行实验。这项工作表明，电子的波函数可以分裂，并且电子的一部分会陷在较小的气泡中。照片：Mike Cohea /布朗大学
布朗大学最新发表的一项研究表明，电子的量子态-电子的波函数-可以破碎成碎片并被俘获。
罗德岛州普罗维登斯市（布朗大学）—布朗大学的物理学家的新研究将量子力学的深刻陌生性概括为一句话，或更准确地说，是在氦泡中。
布朗物理学教授汉弗莱·马里斯（Humphrey Maris）领导的实验表明，电子的量子态-电子的波函数-可以破碎成碎片，而这些碎片可以被捕获在液态氦的微小气泡中。需要明确的是，研究人员并不是说电子可以分解。电子是基本粒子，不可分割且不可破坏。但是研究人员所说的在某些方面更加离奇。
在量子力学中，粒子在空间中没有明显的位置。取而代之的是，它们以波动函数的形式存在，这是一种概率分布，包括可能在其中找到粒子的所有位置。马里斯和他的同事们建议，该分布的各个部分可以分开并相互封锁。
马里斯说：“我们正在寻找找到电子的机会，而不是寻找电子的碎片。”“这有点像彩票。出售彩票时，每个购买彩票的人都会得到一张纸。因此，所有这些人都抓住了机会，您可以考虑将机会分散到整个地方。但是只有一个奖品-一个电子-奖品的去向将在以后确定。”
如果马里斯（Maris）对他的实验发现的解释是正确的，那就对量子力学中的测量过程提出了深刻的问题。在传统的量子力学公式中，当一个粒子被测量时（意味着它被发现在一个特定的位置），波函数被认为是崩溃的。
“我们进行的实验表明，电子与更大的物理系统（例如液氦浴）的相互作用并不构成测量值，”马里斯说。“那么问题是：是什么？”
波动函数可以分为两个或多个气泡的事实也很奇怪。如果检测器在一个气泡中找到电子，那么另一个气泡又会如何呢？
“这确实引发了各种有趣的问题，”马里斯说。
这项新研究发表在《低温物理学杂志》上。
电子气泡
多年以来，科学家一直想知道液态氦中电子的奇怪行为，冷却至接近绝对零。当电子进入液体时，它排斥周围的氦原子，从而在液体中形成一个直径约3.6纳米的气泡。气泡的大小取决于推压氦气表面张力的电子压力。然而，这种奇怪现象出现在可追溯到1960年代的实验中，该实验着眼于气泡如何运动。
在实验中，电子脉冲进入充氦管的顶部，当电子气泡到达管的底部时，检测器记录所传递的电荷。由于气泡的大小定义明确，因此气泡在移动时都应承受相同的阻力，因此应同时到达检测器。但这不是事实。实验已经检测到在正常电子气泡之前到达检测器的未识别物体。多年来，科学家已经对14种不同大小的不同物体进行了分类，所有这些物体的运动似乎都比预期的电子气泡运动快。
马里斯说：“自首次被发现以来，它们一直是个谜。”“没有人有很好的解释。”
已经提出了几种可能性。未知物体可能是氦气中的杂质，即带电粒子从容器壁上撞下来。另一种可能性是，物体可能是氦离子-氦原子吸收了一个或多个额外的电子，这些电子在检测器上产生负电荷。
但是马里斯和他的同事们，包括诺贝尔奖获得者和布朗物理学家莱昂·库珀，都相信一系列新的实验可以使这些解释停止。
新实验
研究人员进行了一系列电子气泡迁移率实验，其灵敏度远高于以前的工作。他们能够检测到以前工作中的所有14个对象，以及在实验过程中经常出现的四个其他对象。但是，除了经常出现的那18个物体外，研究还发现了无数的其他物体，这些物体很少出现。
马里斯说，实际上，似乎不仅存在18个物体，而且实际上有效的物体数量是无限的，并且“尺寸的连续分布”达到正常电子气泡的尺寸。
马里斯说：“这使人们以为这些是杂质或氦离子的想法令人a舌。”“很难想象会有那么多杂质，或者以前未知的许多氦离子。”
研究人员唯一能想到的解释结果的方法是通过波函数的“裂变”。在某些情况下，研究人员推测，电子波函数在进入液体时会破裂，并且波函数的片段会陷入不同的气泡中。由于气泡包含的能量少于全波函数，因此它们比正常的电子气泡小，因此移动速度更快。
在他们的新论文中，马里斯和他的团队提出了一种可能发生裂变的机制，这一机制得到了量子理论的支持，并且与实验结果非常吻合。该机制涉及量子力学中的一个概念，即屏障上方的反射。
对于电子和氦气，其工作方式如下：当电子撞击液氦的表面时，它有可能会穿透到液体中，也有可能反弹并消散掉。在量子力学中，这些可能性表示为穿过势垒的波函数的一部分，并被反射。小电子气泡可能是由穿过表面的波函数部分形成的。气泡的大小取决于经过多少波函数，这可以解释实验中检测到的小电子气泡大小的连续分布。
库珀说，将波函数的一部分反射到障碍物上的想法是标准的量子力学。他说：“我认为没有人会对此表示反对。”“非标准部分是，通过的波动函数可能会通过影响气泡的大小而产生物理效果。这是这里的全新内容。”
此外，研究人员提出波函数进入液体后会发生什么。这有点像将一滴油放在一小撮水里。马里斯说：“有时您的油滴会形成一个气泡，有时会形成两个气泡，有时甚至是100个。”
量子理论中有一些元素暗示了波函数倾向于分解为特定大小的趋势。根据马里斯（Maris）的计算，人们可能希望看到的特定尺寸大致对应于18种经常出现的电子气泡尺寸。
Maris说：“我们认为这为我们在实验中看到的内容提供了最好的解释。”我们拥有可以追溯到40年的大量数据。实验没有错；他们是由多人共同完成的。我们有一种称为Occam剃刀的传统，我们尝试提出最简单的解释。据我们所知，就是这样。
但这确实提出了一些有趣的问题，这些问题位于科学和哲学的边界。例如，有必要假设氦没有测量电子的实际位置。如果这样，理论上发现任何不包含电子的气泡都将消失。马里斯说，这是量子理论最深奥的谜团之一。
“没有人能确定实际上是一种度量。也许物理学家可以同意拥有博士学位的人。穿着一身白大褂坐在一所著名大学的实验室里可以进行测量。但是，对于确实不确定自己在做什么的人呢？需要意识吗？我们真的不知道。”
除马里斯外，论文的作者还包括前布朗博士后研究员万万春，研究生卓卓琳和物理学名誉教授乔治·赛德尔。
出版物：W. Wei等人，“超流氦中外来离子的研究和电子波函数的可能裂变”，《低温物理学报》，2014年； DOI：10.1007 / s10909-014-1224-3
图像：Mike Cohea /布朗大学
