电子量子化的物理意义是什么?

时间:2021-10-02 08:58:32   作者:
简而言之,在我们量子化之前,电子只是一个有质量和电荷的经典粒子。当我们将它量子化时,我们只是在纸上声明这个粒子实际上不是经典粒子(从它遵守牛顿运动定律的意义上说),而是表现出量子力学行为,它的动量和能量之类的东西可以是离散的。更具体地说,被称为电子的粒子是相应量子场的量子激发(如果你不介意这个相当平淡的措辞)。

答案的长版本是,通过量化,我们正在做一些更微妙的事情:你看,我们命名的粒子是通过它们所谓的量子数(比如自旋的值)、质量和电荷(电、颜色等)来区分的。

电子量子化的物理意义是什么

几乎每个人都知道粒子有一个相关的数叫做自旋,这是一个内在的角动量。很多人不知道的是,自旋的概念实际上也存在于经典物理学中。事实上,通过研究特定基团的表示,我们可能会发现,最“基本”的表示是自旋为- 1/2的东西,比如电子。在量子化之前——甚至在我们讨论希尔伯特空间之前,或者在创造和湮灭算符上强加对易或反对易关系之前——我们可以在经典理论中使用这样的表示(在粒子物理之外的领域中,有些是存在的)。

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当我们量子化与这个表示相关联的粒子时,我们就连接到著名的自旋统计定理。该定理表明自旋为半整数的粒子(如上面所描述的)服从费米-狄拉克统计,这源于在两个这样的粒子交换时波函数是奇的。这些粒子被称为费米子。此外,整数自旋粒子服从玻色-爱因斯坦统计,这意味着波函数甚至在两个这样的粒子交换下。这些叫做玻色子。

所以,通过量子化自旋- 1/2的东西,一个经典存在的属性,我们把它变成费米子。

当然,我在半整数自旋(经典或量子力学)粒子和费米子之间做的区分不是你经常看到的,当然也不是标准的;这是有原因的。在表现出量子力学行为的系统中,你主要(强调大部分)使用半整数自旋粒子。在这个量子体系中,定理告诉我们费米子和半整数自旋粒子是一样的,所以我们从不区分它们。唯一做出这种区分的人是那些将半自旋表示用于经典用途的人,但他们是绝大多数人(这与他们的工作/研究质量无关)。

请记住,粒子具有量子力学行为;我们并不是把某物量子化来物理地把它变成它的量子类似物。它不像我们有一个经典粒子,像子弹一样运动,然后我们把它量子化,然后看到它突然变成一个量子粒子。我们只在纸上量化事物。像我们在粒子加速器中检测到的粒子基本上是量子的。
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