量子五体,你比《三体》多两体。
氦原子明明是由三部分组成的(一个氦原子核 + 两个核外电子)。为什么在这个实验中,我们要把它看作两部分,一部分是氦离子(氦原子核 + 一个核外电子),另一部分是其中一个核外电子呢?因为在这个实验中,碰撞产生的能量很有限,仅仅能从氦原子中激发出一个电子,使氦原子电离成两个部分。所以,为了简单起见,我们就把它看作是由两部分组成的集合体。
在真实的实验过程中,氦原子是静止不动的。物理学家会将氢分子离子加速到很高的速度,然后撞击氦原子。由于它们的运动不是绝对的,而是相对的,所以,我们可以把这个过程看作是氦原子和氢分子离子发生了对撞,也就是漫画里描述的样子。
量子五体实验产生的条纹,并不能直接在屏幕上观察到。我们要将所接收到的电子按照水平方向的速度(动量)v. s. 垂直方向的速度(动量)画成一张图表后,才能看到明显的条纹。而且,如果物理学家把“双缝”(氢分子离子)的间距加大,条纹的间距也会跟着变化。
氢分子离子被氦原子碰撞后,有很大概率会从能量最低的状态,跃迁到能量第二低的激发态。在第一个状态中,电子在两个氢原子核周围的“波动”的节拍(相位)是同步的,叫作偶宇称状态。在第二个状态中,电子在两个氢原子核周围的“波动”的节拍(相位)是相反的,叫作奇宇称状态。
物理学家是如何把实验数据分成两份的呢?严格地说,他们并没有把数据分成两份,而是考虑了两种极端情况。
第一种极端情况是,第一个子过程发生的概率很大,而第二个子过程发生的概率很小。在这种情况下,碰撞后得到的电子动量p_el 会小于 2倍的氦离子动量 p_rec (p_el < 2 p_rec)。物理学家用这种条件对实验数据进行筛选,就得到了主要由第一个子过程产生的干涉条纹。第二种极端情况是,第一个子过程发生的概率很小,而第二个子过程发生的概率很大。
在这种情况下,碰撞后得到的电子动量 p_el 会大于 2倍的氦离子动量 p_rec (p_el > 2 p_rec)。物理学家用这种条件对实验数据进行筛选,就得到了主要由第二个子过程产生的干涉条纹。