电子双缝干涉实验最新解释

有人把电子双缝干涉实验称作世界十大经典物理实验之首，认为这个实验证明了微观粒子（电子和原子）具有波粒二象性，为物质波理论的提出和量子力学的建立奠定了实验基础。本章我们通过电子与引力的作用来分析电子双缝干涉实验的产生原因。

第一节　电子双缝干涉实验的神奇之处

粒子性的特点是通过双缝后形成两条条纹。上图是用散弹枪发射出的小球穿过两条窄缝形成的图案，可以看到由于小球沿着直线运动必然在屏幕上形成两条条纹，因为小球不会拐弯，人们把这一特性认为是粒子性，也就是说小球穿过双缝会在屏幕上形成两条条纹表现出了粒子性。据此，科学家给这两条条纹贴上了粒子性的标签，认为通过双缝形成两条条纹就表现出了粒子性。

波动性的特点是通过双缝后形成宽度相等的明暗相间条纹。上图中激光通过双缝后形成宽度近似相等的明暗相间的条纹（实际上形成的只有明条纹，暗条纹是光子到达不了的地方，也就是说光通过双缝后并没有主动去“形成”暗条纹）。为了便于理解，科学家把光通过双缝后形成的明暗相间条纹和水波形成的波动条纹进行了对比，发现两者有相似的地方，于是把光通过双缝后形成的明暗相间条纹称为光的波动，认为光实是一种波，所以通过双缝后会形成明暗相间的条纹。并据此认为如果某个粒子通过双缝后形成了明暗相间的条纹则表现出波动性，表明大家潜意识里把明暗相间的条纹和波动现象划上了等号。

在做过光的双缝干涉实验之后，有人认为和光子同为微观粒子的电子甚至原子也应该具有波动性（通过双缝后能够形成宽度相等的明暗相间的条纹），于是他们开始考虑用电子来做实验。

1961年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松最早用电子做双缝实验，发现电子也会发生干涉现象。1974年，皮尔·乔治·梅利在米兰大学的物理实验室里成功的将电子一粒一粒的发射出来，当第一个电子到达屏幕以后过一段时间再发射第二个电子（以确保第一个发射的电子不会对第二个发射的电子产生干扰），经过足够长时间之后屏幕上依然出现了宽度相等、明暗相间条纹，于是人们认为电子发生了干涉。根据波动理论：电子双缝干涉条纹是多个电子间相互干涉的结果（即通过左缝的电子与同时通过右缝的电子间产生了干涉），如果有大量电子同时通过双缝还好理解--可以认为是通过左缝的电子与同时通过右缝的电子间发生了干涉。但现在的难点在于电子发射源每次只发射一个电子，屏幕上依然产生了干涉条纹。事实表明单一电子发生了干涉（产生了明暗相间的条纹），它能跟谁干涉呢？它在同一时刻到底通过哪条缝呢？

传统波动理论无法解释单个电子的干涉，为了搞清楚单个电子到底是从哪条缝经过的、电子有没有同时通过双缝，科学家还是蛮拼的，他们在双缝后加了一个观测仪器以便观测电子到底通过了哪一条缝，实验成功地观测到电子通过了左缝、右缝、左缝、右缝……，并且实验中发现同一时刻电子只通过一条缝，没有观测到电子同时通过两条缝的情况。但更神奇的事情发生了：不加装探测装置观测的时候，电子表现出波的特性（在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹），而一旦加装探测装置电子就规规矩矩地表现出粒子性（在屏幕上形成两条亮纹）。面对这一实验结果，几乎所有科学家都不敢相信自己的眼睛。科学家又陆续做了单原子、分子双缝干涉实验，然而得到的实验结果与单电子双缝干涉一样。因为观测要用到光，虽然光子质量极其微小、照一下宏观物体肯定不会改变其运动状态，但对于像电子这样的微观粒子，光照一下也会对其运动状态产生较大影响（因为光子是有动量的）。为了排除光子对实验的影响，科学们又做出了一种既不影响电子、又能观测到电子的装置，这种观测仪器不发光、只接收光，但得到结果还是一样：不观测电子就表现出波动性、一旦观测电子就表现出粒子性。在经历多次实验以后，科学家们普遍认同了这一观点：一旦我们观测电子就表现为粒子性，如果我们不观测电子就表现出波动性。似乎人类的意识会影响最终的实验结果，对此物理学界争论不休且没有定论。

为了解释这个问题，许多物理学研究人员和爱好者提出了多种解释，但都行不通，也有吃瓜群众认为电子发射源不可能一次只发射一个电子而是每次都发射两个或者两个以上的电子；还有脑洞大开的人提出了电子运行在平等宇宙等等奇谈怪论；甚至有人认为物质世界是不可认识的，总之，所有的解释都没有得到主流公认。

第二节　原子核的单缝衍射实验

为了破解电子的双缝干涉实验之谜，我们可以用原子核来做类似的实验，根据实验结果来推测电子双缝干涉实验产生的原因。

原子核存在'质量幻数'。当代物理学指出：物质是由原子组成的，原子是由原子核和核外高速运动的电子组成，而原子核是由质子和中子组成的，不同质量数的原子核稳定性是不同的。原子核在条件合适的时候可以吸收一个或几个中子形成新的原子核，也可以在一定条件下'裂变'分裂成两个或者两个以上的新原子核并放出若干个中子。总有特定质量数的原子核比其它质量数的原子核稳定得多，我们称之为原子核'质量幻数'。原子核'质量幻数'并不是连续分布的，而是形成一个个孤立的'岛'。'质量幻数'的存在充分说明原子核是有特定内部结构的，处于'质量幻数'的原子核比其它质量的原子核内部结合力大很多。

一种元素可以有多种同位素。假设某种元素有一种质量数为200的原子核，并且这种元素还存在着质量数分别为205、210、215和220的同位素（为什么设定元素的同位素质量数之差都是５，这一点后面我们将讨论），除了这5种稳定同位素以外，该元素不存在其它同位素（或者说该元素即使存在其他质量数的同位素，但由于这些同位素极不稳定，在形成的瞬间就会衰变成以上5种能够稳定存在的同位素，所以也可以认为其他同位素是不存在的）。质量数为200的原子核只要能够吸收足够多的中子，就会立即形成能够稳定存在的质量数为205、210、215和220的其它4种同位素。那么质量数为200的原子核吸收了6个、7个、8个、9个中子后会怎么样呢？很显然，只会形成质量数为205的稳定原子核并放出1个、2个、3个、4个中子。同样，质量数为200的原子核吸收了11个、12个、13个、14个中子后会立即形成质量数为210的新原子核并放出1个、2个、3个、4个中子。可见，质量数为200的原子核只能吸收特定数量的中子，在同一时刻并不是任意数量的中子都能够被原子核吸收，也可以认为，该元素的原子核对中子的吸收是有选择的。

设置实验环境。在一个完全密闭真空环境中，用一个粒子源持续不断地向外发射质量数为200的原子核，并在离粒子源不远处用足够厚的铅块设置一条窄缝（目的是为了让原子核只能从窄缝通过而不能穿透铅块），窄缝宽度为a；在这条窄缝后分别通以密度足够大、自上而下和自下而上源源不断运动的中子流，先关闭中子发射源并在距离窄缝一定距离处放置一个接收屏，只要有原子核打在接收屏上就会形成一个亮点，原子核没有到达的地方则不会有亮点；大量原子核连续到达的地方会形成亮斑，原子核没有到达的地方则是暗区。这样，大量原子核穿过窄缝后将打在接收屏中间并形成中央亮纹，如下图。

打开中子发射源接收屏上形成的条纹将发生变化。实验中如果我们打开向上发射的中子发射源，则原子核在这些中子的作用下可能向上发生偏转；如果我们打开向下发射的中子发射源，则原子核在这些中子的作用下可能向下发生偏转，不考虑重力作用则中央亮纹两侧的亮纹是对称分布的。一般情况下，质量数为200的原子核通过窄缝以后，大部分原子核可能没有吸收中子，这一点很好理解，因为质量数为200的原子核同时与5个以上中子作用并形成新的稳定原子核的机率是很小的，而当该原子核与1个、2个、3个、4个中子作用时又不会吸收这些中子，所以大部分原子核都没有机会吸收足够多的中子形成新的、能够稳定存在的原子核。当原子核与1个、2个、3个、4个中子作用时，由于原子核质量远远大于中子质量，可以认为原子核与中子间发生的是弹性碰撞，原子核仅吸收中子极小的冲量作用并发生较小的偏转，这样大部分原子核通过宽度为a的窄缝后会在显示屏上形成宽度略大于a的中央亮条纹。同时也有少数原子核可能会吸收5个、10个、15个和20个中子而形成质量数为205、210、215和220的4种同位素，此时由于原子核全部吸收了中子的冲量，其运动轨迹就会发生较大的偏转，很显然：吸收5个中子的原子核偏转角度＜吸收10个中子的原子核偏转角度＜吸收15个中子的原子核偏转角度＜吸收20个中子的原子核偏转角度。这样在中央亮纹以上，最多可以依次形成宽度为a的4条亮条纹。

原子核衍射形成的亮条纹几乎是等间距的。如果我们打开向下发射的中子发射源，同样在中央亮条纹以下，最多可以形成宽度为a的4条亮条纹。很显然，如果不考虑原子核的质量，则质量数为205、210、215和220的几种同位素在屏幕上的偏移量之比等于它们吸收的中子数之比，为5∶10∶15∶20，即：1∶2∶3∶4，也就是说这些亮条纹几乎是等间距的。这里我们看到：质量数为200的原子核通过窄缝后，在中子的作用下并不会在屏幕上形成连续的亮区，而是会在屏幕上形成等间距的亮条纹。

原子核衍射条纹的亮度变化规律。由于没有吸收中子的原子核占绝大多数，所以中央亮纹的亮度最大；同时由于原子核吸收5个中子的几率>原子核吸收10个中子的几率>原子核吸收15个中子的几率>原子核吸收20个中子的几率，所以有中央亮纹的亮度＞第一条亮纹的亮度>第二条亮纹的亮度>第三条亮纹的亮度＞第四条亮纹的亮度。同时，中子流的密度越大则中央亮纹两侧的条纹就会越明亮也越容易观测到；中子流的密度越小则中央亮纹两侧的条纹越暗也越不容易观测到，这一点与光的衍射现象是一致的。

实验条件改变时条纹也将发生改变。改变实验条件，如果质量数为200的原子核只有质量数为205、210、215的其他三种同位素，则原子核通过窄缝后只能在中央亮纹两侧各形成3条亮纹。

如果质量数为200的原子核只有质量数为205、210的其它两种同位素，则原子核通过窄缝后只能在中央亮条纹两侧各形成2条亮纹。

如质量数为200的原子核只有质量数为205的同位素，则原子核通过窄缝最多只能在中央亮条纹两侧各形成1条亮纹。

如果该元素只有质量数为200的原子核而不存在其它质量数的同位素，则屏幕上只能形成中央亮纹而不会出现其它亮纹（当我们持续增大中子流密度，屏幕上只会出现一片连续的亮区但依然不可能出现明暗相间的条纹）。

这个实验中需要特别强调指出的是：在原子核吸收中子的假想实验中，到达屏幕上不同位置的原子核质量是不同的，到达同一条纹位置的原子核质量相同、到达不同条纹位置的原子核质量不同。所有到达中央亮纹处的原子核质量都是200，到达第一条亮纹处的原子核质量都是205，到达第二条亮纹处的原子核质量都是210，到达第三条亮纹处的原子核质量都是215，而到达第四条亮纹处的原子核质量都是220。每一个原子核的最终落点都有其物质基础而不是几率决定的，或者说不是偶然的而是必然的。这里我们把原子核经过窄缝后与中子流作用并到达屏幕上不同的位置的现象称作'中子调制'，原子核经过中子流'调制'后保留了不同的'调制信息'（吸收中子数量不同、造成原子核质量不同、运动状态改变不同），从而在屏幕上形成不同的亮纹。同时我们看到，原子核吸收中子的假想实验中屏幕上的暗区（'暗条纹'）是原子核不能到达的地方，'暗条纹'并不是原子核相互抵消产生的。

原子核衍射后产生间距相等的亮条纹的必要条件。有吃瓜群众指出：某种元素存在质量数分别为200、205、210、215和220的几种同位素几率太小了，很有可能某种元素存在200、202、205、206、209这几种同位素，那么在相同的条件上屏幕上会形成怎样的条纹呢？显然，由于原子核经过衍射后在屏幕上的偏移量之比等于它们吸收的中子数之比，所以屏幕上除了中央亮纹以外还会形成４条亮纹，这4条亮纹的偏移量之比为2：5：6：9，也就是说这些条纹并非等间距的。在光的干涉现象中条纹间距几乎相等，充分表明光子的质量变化是线性的等差数列（原因请自己分析）。

光照不会对原子核衍射实验产生影响。在这个假想的原子核衍射实验中，如果我们用光照射，会不会对实验结果产生影响呢？或者说我们不用光照射产生明暗相间的衍射条纹，一旦我们用光照射明暗相间的衍射条纹就会消失并在屏幕上只形成中央亮纹呢？我们知道，原子核中各核子之间的结合力是非常强大的，可见光光子（不是γ射线这类高能光子）与原子核碰撞并不会破坏原子核的内部结构，加之原子核的质量远远大于可见光光子的质量，所以可见光光子照射并不会影响实验结果，或者我们用其他观测手段一般也不会影响实验结果，其原因是原子核和中子之间的结合力足够强大，光子或者外界微小的扰动作用不足以破坏原子核与中子的结合。

第三节　光的双缝干涉条纹形成原因

干涉条纹形成的原因。从光源发出的光经过单缝后投射到双缝上最终会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹，直接用激光束照射双缝也会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。设两条缝间距为d，双缝到屏幕的距离为D，屏幕中心位置为O，则在O点处会出现中央明条纹。

为了更清楚地研究双缝对光的影响，我们把双缝放大，图中左侧从上到下构成双缝的分别是物质实体A、上缝（1265区域）、双缝中间物质实体O、下缝（abfe区域）和物质实体B，简单来说就是3个物质实体夹着两条窄缝并形成两个可透光的引力影响区域。一般情况下我们认为物质实体A、双缝中间物质实体O和物质实体B都是不透光的，光子不能通过物质实体A、中间物质实体O和物质实体B，光子只能通过双缝中的上缝1265区域和下缝abfe区域投射在屏幕上。

如图，对于上缝所在1265区域来说，如果没有下缝物质实体B的影响，则上缝1265区域可平均分成合力向上的部分（1243区域）和合力向下的部分（3465区域），这两个区域大小一致，中间34线处引力合力为零。有了物质实体B的影响情况就不同了，因为上缝（1265区域）在物质实体B的引力影响区域内，所以物质实体B的存在相当于增大了中间物质实体O的引力场，并且物质实体B越靠近上缝对中间物质实体O引力的加成作用越大。既然中间物质实体O的引力增大，那么上缝1265区域中引力合力向下的部分必然增大（也就是3465区域相应增大），引力合力为零的34中线必然就要相应地向上移动，引力合力向上的区域（1243区域）必然减小。显然，物质实体B越靠近上缝，上缝引力合力为零的34中线就向上移动的越多，导致上缝引力合力向下的3465区域就越大、引力合力向上部分1243区域就越小。两缝距离越近这个影响就越大，两缝距离越远这个影响就越小。如果两缝相距足够远，那么每一条缝都可以看作单缝，此时激光束照射在这两条缝上将产生衍射条纹。

对于下缝abfe区域同样如此，因为下缝在物质实体A的引力影响区域内，由于上缝处物质实体A的影响，下缝区域引力合力向上的部分（abdc区域）增大、引力合力向下的部分（cdfe区域）减小，并且两缝距离越近影响就越大。双缝距离越近则下缝区域引力合力向上的部分就越大，投射在屏幕上的条纹宽度也相应增大; 双缝距离越远则下缝区域引力合力向上的部分就越小，投射在屏幕上的条纹宽度也相应减小。所以双缝间距减小时干涉条纹间距变大、双缝间距增大时干涉条纹间距变小。

如图，对于上缝来说其引力可分为向上部分（1243区域）和向下部分（3465区域），其中引力向下部分（3465区域）对中央亮纹、中央亮纹以下的第一条亮纹和中央亮纹以下的第二条亮纹的形成做出了贡献（也有可能对中央亮纹以下的第三条、第四条或者更多亮纹做出贡献）；引力向上部分（1243区域）仅对中央亮纹以上的第三条亮纹的形成做出了贡献（也有可能对中央亮纹以上的第四条、第五条或者更多亮纹做出贡献）。同样，对于下缝来说其引力也可分为向上部分（abdc区域）和向下部分（cdfe区域），其中引力向上部分（abdc区域）对中央亮纹、中央亮纹以上的第一条亮纹和中央亮纹以上的第二条亮纹的形成做出了贡献；引力向下部分（cdfe区域）仅对中央亮纹以下的第三条亮纹的形成做出了贡献。

第四节　电子内部结构

电子内部结构特点。我们认为：①电子的本质属性是粒子性，电子具有特定的内部结构，可以吸收光子也可以放出光子并且这一过程可以无限次重复，所以电子质量并非一成不变的而是时刻处于变化之中的。②与原子核 '质量幻数'相似，电子也存在若干个不连续的结合能极大值――'质量幻数'，每个'质量幻数'对应于电子在原子中的一条稳定轨道。电子在原子中不同稳定轨道上的质量是不同的，电子离核越近质量越小、离核越远质量越大。③电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、'饥饿程度'越高因而其结合光子的能力越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、'饥饿程度'越低、其结合光子的能力就越弱。④当电子与原子核在静电引力作用下沿着直线相互靠近时，电子会通过'裂变'放出光子获得反冲从而增大绕核速度，保证其不落入原子核中；电子在远离原子核时又会迅速吸收光子增加质量为下一次'裂变'做好物质储备。⑤虽然电子可以吸收光子增大质量，但是电子存在'临界质量'，大于'临界质量'的电子都是极不稳定的，将在极短时间内裂变放出光子并重新生成能够稳定存在的质量较小的电子。

如果我们用横坐标表示电子的质量，用纵坐标表示电子内部的结合力，则我们可以大致画出电子质量内部结合力草图。从图中可以看出：电子离原子核越近质量越小、'饥饿程度'越高、内部结合力越大、吸收光子的能量越强，电子离原子核越远质量越大、'饥饿程度'越低、内部结合力越小、吸收光子的能量越弱。当电子吸收了质量足够大的光子后会处于'临界质量'，此时电子不能继续吸收光子增大质量了，处于'临界质量'的光子在外界微小扰动作用下电子又会'裂变'放出光子减小质量。

原子中的电子质量并非一成不变的。电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、'饥饿程度'越高、吸收光子的能力也越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、'饥饿程度'越低、吸收光子的能力也越弱。这一点很好理解，电子质量越小则其体积越小，各部分之间结合的就越紧密、'饥饿程度'越高、因而对光子的结合能力就越强；电子质量越大则其体积越大，各部分之间的距离也相应增大从而导致电子结合的越松散、'饥饿程度'越低、因而对光子的结合能力就越弱。电子和宏观带电微粒最本质的区别就是电子可以通过吸收或者放出光子改变质量，并且这一过程是可逆的、可以无限次重复的，而宏观带电微粒质量始终是一定的，后面我们将会讲到：正是因为电子能够改变质量从而保证了原子系统能够稳定存在。

原子核的静电引力是影响电子'裂变'的主要因素。由原子核物理我们知道，原子核里质子和中子之间存在着非常强大的核力作用。同样，电子内部各部分之间也一定存在着相互作用力，由于电子内部各部分之间的结合力不是很大（相对于原子核的核力而言），所以在外界其它力比如原子核强大的静电引力作用下，电子有'裂变'放出光子的可能。用辩证唯物主义的观点来看：决定电子是否'裂变'放出光子有内因和外因两种因素：内因是电子内部各部分之间的凝聚力（结合力），而外因则主要是原子核的静电引力。电子正是在这一对相互矛盾力的作用下处于平衡状态的，原子核的静电引力总是力图撕扯并使电子发生形变━━进而迫使电子产生'裂变'放出光子，其作用结果是使电子的质量减小、体积减小，从而使电子内部各部分结合得更加紧密，'饥饿'程度更高；而电子内部的凝聚力则总是力图使电子凝聚成一个整体━━并尽可能地再吸收一个或多个光子，其作用结果是使电子的质量增加、体积增大，从而导致电子内部结合得更加松散，'饥饿程度'降低。也可以简单地认为，原子核的静电引力总是使电子质量减小，而电子自身的凝聚力总是使其质量增大。

电子存在'质量幻数'，每一个'质量幻数'对应于电子在原子中的一条稳定轨道。我们知道，原子核并不是一个匀质硬性小球而是有一定内部结构的，它是由质子和中子组成的，质量数为2、8、20、28、50、82、114、126、184等数量的原子核比较稳定，我们把这些数称为'幻数'，而具有双幻数的原子核则特别稳定。和原子核质量'幻数'相似，电子也存在着若干个质量'幻数'：电子自身的结合力并不是与其质量成比例变化的，或者说简单的线性变化――一般而言电子质量越小其内部结合力越大，但总有特定质量的电子的结合力相当大，比其它质量电子的结合力大许多，我们把这些结合力相当大的质量相应地称为电子质量'幻数'。电子有若干个内部结合力极大的质量（'质量幻数'）、处于'质量幻数'的电子结合光子的能力是很强的，每一个'质量幻数'往往对应于电子在原子中的一条稳定轨道。

电子对光子的吸收是有选择性的。既然处于原子核束缚状态的电子是处于'饥饿状态'的，那么是不是此时电子可以吸收任意质量的电子呢？事实上并非如此，电子对光子的吸收是有选择性的。处于'饥饿状态'的电子可以吸收光子，对不同质量的光子而言，光子质量越小则其进入电子内部后引起的电子质量变化也越小，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越小，因而和电子之间的结合力也较大；反之，光子质量越大其进入电子内部后引起的电子质量变化也越大，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越大，因而和电子的结合力也越小；只有少数特定质量的电子和特定质量的光子之间结合力是极大的。

我们可以举一个例子来更好地理解这一点。假设电子内部结合能极大的质量幻数分别为10000、10010、10030、10080等等，这就是说，只有质量数为10000、10010、10030、10080的电子在原子内部才是足够稳定的（此时电子正好处于曲线的峰值位置，内部结合力极大，才能够较好地抵御原子核的静电引力作用而不至于立即发生'裂变'），相对而言质量数为其它数值的电子内部的结合能较小，也是极不稳定的（因为这样的电子内部结合力较小不足以抵御原子核的静电引力撕扯作用，在原子核的静电引力撕扯作用下会很快发生形变甚至'裂变'放出光子并生成能够稳定存在的电子）。当质量数连续的光子（假设这些光子的质量从1到100连续变化）与电子作用时，则只有质量为10、30、80的少数几种光子和电子的结合才是较稳定的，其它质量的光子与电子的结合都是极不稳定的（它们在与电子结合后极短的时间就会裂变放出光子，所以可以认为这些光子几乎不被电子吸收）。最终我们看到，当质量数连续的光子照到大量原子上时，只有质量数为10、30、50和80的光子才会被吸收，而质量数为其他整数的光子几乎不被吸收，也就是说原子中的电子对光子的吸收是有选择性的。

那么吸收了其它质量光子的电子为什么是不稳定的呢？我们知道，原子中的电子时刻受到原子核静电引力撕裂作用，因为质量数为10000、10010、10030、10080的电子远远比其它质量的电子内部结合力大得多，所以它们足以抵御原子核的静电引力撕扯作用。假设当电子吸收了一个质量数为5的光子，此时形成的新电子的质量数是10005，在电子的质量－－结合能曲线上，质量数为10005的电子内部各部分之间的结合力远远小于质量数为10000和质量数为10010的电子，所以当这个新电子形成以后，在原子核强大的静电引力撕扯作用下它会立即裂变放出质量数为5的光子，并重新生成质量数为10000的、能够稳定存在的电子。正是因为质量数为10005电子会在极短的时间内裂变，所以我们可以认为质量数为10000的电子从吸收到放出质量数为5的光子的时间几乎为零，因为它们之间的作用时间极短、作用效果非常不明显，从另一个角度来讲，我们也可以认为质量数为10000的电子几乎不会与质量数为5的光子作用。这样看来一定质量的电子只有与少数、特定质量的光子的作用效果明显，也就是说：在原子核强大的静电引力作用下，一定质量的电子只会吸收少数特定质量的光子，电子对光子的吸收是有'选择'的，只有特定质量的光子才可能被原子中的电子吸收，而大部分光子都不会被原子中的电子吸收。

电子裂变和原子核裂变的比较。电子裂变和原子核裂变之间的共同点就是：裂变后的产物能够更加稳定地存在。拿原子核来说，一个质量较大的原子核是不太稳定的，当它与一个中子碰撞时，这个中子可能将原子核击碎分裂成两个或者两个以上的部分，并放出一个或者一个以上的中子。当然了，这个比方虽然通俗易懂但并不严谨。因为原子核并不是一个匀质小球，实际情况是：当中子进入一个原本不太稳定的原子核内部以后，原子核内部各部分之间的作用力急剧发生变化，它们只有重新结合得更加紧密才能够稳定地存在下去，此时为了生存，原子核将裂变生成两个（视不同原子核的内部结构而言，也可能是三个或者三个以上）新的原子核，相对于原来的原子核而言，这两个新的原子核内部各部分之间的结合力大了许多，所以也稳定的多。一句话，原子核裂变后形成的新的原子核能够更加稳定地存在。电子的裂变同样如此，电子在受到外界扰动时也会变得不稳定，也会分裂，但电子只会分裂放出光子并减小质量，并不会生成两个或者两个以上的电子，而形成的新的电子所带电荷也不会减少，但同样电子的裂变结果也是为了生存，为了更加稳定地存在。电子裂变和原子核裂变之间的不同点是：原子核与中子结合后的裂变结果是分为两个或者两个以上的新的原子核并放出一个或者一个以上的中子，同时伴随有巨大的能量放出（裂变过程产生高能γ射线）；而电子在受到原子核静电引力的扰动下，其裂变结果仅仅是放出一个光子并形成质量较小的电子。从裂变过程放出的能量看：原子核裂变放出的能量大，电子裂变放出的能量小，所以电子的裂变往往较容易发生；从裂变形式上看，原子核裂变的结果存在不确定性，可能分为两部分、也可能分为三部分甚至三部分以上，而电子的裂变一般情况下只生成两部分：质量更小的电子和光子；从裂变的可逆性上看，虽然轻核可能通过聚变生成重核，但在一般的实验条件情况下两个原子核几乎不可能聚合（除非将原子核加热到几百万度甚至上千万度），所以一般情况下可以认为原子核的裂变几乎是不可逆的过程；而电子裂变后只要原子核的静电引力减小它立即会吸收合适的光子，所以电子的裂变可以认为是可逆的。

第五节　电子衍射假想实验

我们把原子核衍射实验的条件改变一下，用电子来做衍射实验看看会有什么不同。假设电子内部结合能极大的质量幻数分别为10000、10010、10030、10080，也就是说只有质量数为10000、10010、10030、10080才是足够稳定的、不会立即'裂变'，根据我们前面的分析，质量数为10000的电子“饥饿程度”是最大的，只要有机会它就会吸收光子。

设置实验环境。在一个完全密闭真空环境中，用一个电子发射源持续不断地向外发射质量数为10000的电子，并在离电子发射源不远处用足够厚的铅块设置一条窄缝（目的是为了让电子只能从窄缝通过而不能穿透铅块），窄缝宽度为a，在窄缝后面用一个光子向上发射质量连续变化的光子（假设这个激光发射器可以发出质量连续变化的光子）。不考虑铅块引力对电子的影响，当我们关闭激光发射器时电子将径直打在接收屏上形成单独的一条中央亮纹。由于此时电子没有吸收光子，所以打在接收屏上的电子的质量数仍然为10000。

打开激光发射器条纹的变化。打开激光发射器以后，假设激光发射器发出的光子质量从1到100连续变化，则只有质量为10、30、80的３种光子和电子的结合才是较稳定的，其它质量的光子与电子的结合都是极不稳定的（它们在与电子结合后极短的时间就会裂变放出光子，所以可以认为这些光子几乎不被电子吸收）。也就是说电子对光子的吸收是有选择性的，电子只吸收质量数为10、30、80的３种光子。显然，接收屏上会形成四条亮纹：中央亮纹、第一亮纹、第二亮纹和第三亮纹，而中央亮纹是电子没有吸收光子后投射在屏幕上形成的，所以打在中央亮纹的电子质量仍然为10000（因为它没有吸收光子），打在第一亮纹处的电子质量为10010，打在第二亮纹处的电子质量为10030，打在第三亮纹处的电子质量为10080。第一亮纹、第二亮纹、第三亮纹的偏移量之比为10：30：80，即为1：3：8。这里我们看到，当电子有３种吸收光子的方式时将在接收屏上形成中央亮纹以外的３条亮纹、当电子有４种吸收光子的方式时将在接收屏上形成中央亮纹以外的４条亮纹、当电子有５种吸收光子的方式时将在接收屏上形成中央亮纹以外的５条亮纹……

有人指出，我们以上的假设存在三个主要问题，一是光子没有静质量，我们假设光子质量连续变化没有依据，当代物理学衡量光子的指标是频率或者波长，光子频率越大能量越大、频率越低能量越低，实际上光子的质量就是对应于频率的。二是激光发射器不可能发出连续变化的光子，每种激光发射器只能够发出特定能量的一种光子。三是如何做出处于“饥饿程度”的电子并将它源源不断地发出，这一点恐怕做不到。对于以上质疑，我们考虑的是从战略层面认识微观粒子，并不是从战术层面讨论如何实现我们的设想，重要的是分析认识事物的方法而不是认识事物的具体手段和实验设备，方法永远比设备重要。

电子吸收不同质量数的光子后形成的条纹不是等间距的。在这个实验中，电子只吸收质量数为10、30、80的３种光子，因而其偏移量之比为1：3：8。我们看到，形成的条纹并非是等间距的，如果要形成等间距的条纹，则电子吸收的光子数就应该是等差的，即电子能够吸收光子的质量数为10、20、30、40、50、60……，只有这样电子通过窄缝后才能够在接收屏上形成等间距的条纹。事实上电子的各个'质量幻数'并不是等差数列，也就是说电子的质量变化不是线性的。在光的干涉现象中形成的条纹是等间距的，说明光子的质量变化是线性的，也就是说光子的质量数是以10、20、30、40、50、60……这样的等差数列排列的。

光照对电子衍射实验的影响。在这个假想的电子衍射实验中，如果我们用光照射，会不会对实验结果产生影响呢？或者说我们不用光照射就产生明暗相间的衍射条纹，一旦我们用光照射明暗相间的衍射条纹就会消失并在屏幕上只形成中央亮纹呢？假设我们用质量数为１的光子照射通过窄缝的电子，由于电子不能够吸收质量数为１的光子，所以接收屏上形成的条纹不会发生变化；但是当我们用质量数为10或者质量数为30的光子照射，则会影响实验结果。而实验结果受不受影响的决定因素是电子会不会吸收照射用的光子，如果吸收则影响实验结果，如果不吸收则基本不影响实验结果。

第六节　电子双缝实验的微观解释

在电子双缝干涉实验中，一个电子在通过双缝时能且只能通过双缝中的一条缝（左缝或者右缝），在通过缝的同时由于电子吸收了特定数目的引力子（成为极不稳定的'超临界状态'的电子），吸收了不同数量引力子的电子将发生不同的偏转角度并到达屏幕上不同的位置，根据电子吸收引力子数量的不同有可能到达第一条亮纹处、也可能到达第二条亮纹处、还可能到达第三条亮纹处……甚至到达第n条亮纹处。处于'超临界状态'的电子和引力子的结合力是极其微小的，外界任何轻微的扰动都会让处于'超临界状态'的电子立即'裂变'放出特定数量引力子从而改变其原来的运动状态。我们在双缝后安装探测仪器后，探测仪器发出的光子与处于'超临界状态'电子发生碰撞，光子对电子的冲击将会使处于'超临界状态'的电子立即'裂变'放出特定数量的引力子，这样就抹去了引力加在电子上的调制信息，从而使电子表现出粒子性特征。

有人会提出这样的疑问：我们做出的新观测仪器不发光只接收光子为什么也会对电子运动状态产生影响呢？比如说我们在双缝后安装一个感应线圈，有电子通过后线圈内会产生感应电流，这样就可以避免因“直接接触”电子而对电子产生的影响，然而这并没有什么卵用。这是因为电子质量远远大于光子质量，而光子质量又远远大于引力子质量，如果某一时刻处于'超临界状态'的电子受到外界扰动（包括观测仪器的影响）发出光子，电子向外发出了光子本身就说明它已经发生了'裂变'改变了之前的运动状态（因为电子必然受到光子的反冲作用），从而必然丢失引力对电子的调制信息，这样电子在屏幕上的落点将不再是不同的亮纹而是形成一条亮纹。

小货车拉瓜实验。为了充分阐述清楚我们的观点，举一个吃瓜群众的例子，既然要吃瓜肯定需要车拉。假设有一辆载重5吨的小货车，行驶在一条笔直的、非常平坦的公路上，小货车装满了5吨西瓜、此时已经满载再也装不下西瓜了（也可以认为西瓜在这辆小货车上堆成了圆锥形，再也放不下西瓜了，再放就会滚下来）。小货车经过一个路口时遇到车主的一个朋友，有几个苹果要顺路带回家，虽然此时货车再也装不下西瓜了但再装几个苹果是没有问题的，车主把苹果放在了西瓜上。货车通过检查站时，如果没有人检查拿走苹果货车司机就会拐弯去朋友家；如果有人发现就会把苹果拿走则货车司机就会一直向前行驶（因为不用再拐弯去朋友家）。我们可以把装满西瓜的小货车看作自由电子，把货车经过的路口看作双缝，小货车经过路口会多几个苹果，就像自由电子经过双缝会吸收引力子变成极不稳定的'超临界状态'。货车拉货例子中有人检查货车就直线行驶、没有人检查货车司机就会拐弯，似乎人的意识会影响货车的行驶路线。

为了排除人的意识影响，我们用机器代替人来检测是否有车辆通过。我们使用一台机器源源不断地从公路一侧向着另一侧抛出一个个高速运动的皮球，如果没有车辆经过则皮球将到达公路的另一侧，如果有车辆通过时皮球将反弹回来到达计数器，合理调节发射皮球的时间间隔就能够保证每一辆车通过时都会有皮球被反弹回来到达计数器。由于苹果直接放在圆西瓜上本身就很不稳定，当皮球与货车碰撞产生极其微小的震动苹果会立即滚落下来，而当皮球没有与货车碰撞时就不会产生震动货车顶部的苹果就不会滚落下来，由此也产生了同样的结果：当我们用机器检测时货车运动运动轨迹是直线，当我们没有用机器检测时货车运动将拐弯去朋友家。有人指出，虽然皮球的质量远远小于小货车的质量，皮球的碰撞对货车的影响虽然很微弱但毕竟也有影响，那我们就想做一个不直接接触小货车的检测。

我们可以用一辆高速行驶的大货车从小货车旁边经过并在大货车上安装照相机来对小货车进行观测，当大货车高速经过小货车时，由于高速行驶大货车气流的影响小货车将会发生摆动，这时小货车顶上的苹果同样会掉下来。可见，当高速行驶的大货车不直接与小货车作用时依然会影响小货车，当大货车从小货车旁边经过时苹果就会掉下来，大货车不从小货车旁边经过时苹果就不会掉下来，由此也会影响小货车的运动轨迹。这和我们间接观测电子发出的光子依然会影响电子的运动轨迹是同样道理。

实际上电子双缝实验和小货车拉瓜实验是一个道理。'饥饿'的电子能够吸收光子，但不会无限吸收，电子可以吸收引力子形成极不稳定的'超临界状态'，'超临界状态'的电子受到外界扰动会立即'裂变'并改变原来的运动状态。