示意 · 时间放慢约 10¹⁵ 倍
电子是跳,还是流?
Jump or Flow?
示意插画
哥本哈根 · 1926 年 10 月
玻尔研究所。薛定谔应邀前来,讨论“波动力学”该如何理解。
薛定谔:电子是波
1926 年发表波动方程——平滑、连续,像一段乐音。
玻尔:电子会跳
1913 年的原子模型:能级之间瞬间跃迁,没有中间路径。
n = 3n = 2n = 1
“如果这该死的量子跳跃真要留下来,我真后悔当初碰了量子理论。”"If all this damned quantum jumping were really to stay, I should be sorry I ever got involved with quantum theory."—— 薛定谔,据海森堡回忆(《部分与全部》,1969)
“可我们其余的人,都非常感激你碰了它。”"But the rest of us are very grateful that you did."—— 玻尔,据海森堡回忆

关于这段对话

出处是海森堡的回忆录 Der Teil und das Ganze(1969),写于事件 40 多年后。情节(连日争论、薛定谔病倒、玻尔坐在床边继续辩论)被广泛引用,但原话应视为回忆,不是逐字记录。另:玻尔的邀请原定 9 月,实际到访是 1926 年 10 月初。

iħ ∂Ψ∂t = −ħ²2m∇²Ψ + VΨ
薛定谔方程(含时,单粒子) · the Schrödinger equation

左边:变化率

波函数 Ψ 在下一瞬间如何变化。i 让变化成为“相位旋转”:波不衰减,只转动。

第一项:动能

∇²Ψ 衡量波的弯曲程度:起伏越密,动能越大(ħ 是约化普朗克常数,m 是电子质量)。

第二项:势能

V 是波所处的“地形”。氢原子里 V = −e²/(4πε₀r):原子核的吸引。

氢原子的解:只有特定驻波能存在

En = −13.6 eV / n²

n = 1:−13.6 eV · n = 2:−3.40 eV · n = 3:−1.51 eV …

方程里,没有任何东西在跳——一切都在流动。

玻恩规则(1926 年 6 月)

|Ψ(x)|² = 在位置 x 发现电子的概率密度。单个电子落点随机,统计分布由波决定。

已到达:0 个电子

真实实验

日立 · 外村彰团队,1989:电子双棱镜(相当于双缝),逐个记录电子到达,干涉条纹逐渐浮现。

不确定性(海森堡,1927)

把电子限制在 0.1 纳米内,它的速度不确定度至少约 580 公里/秒。

1s

n · 主量子数(大小、能量)

l · 角量子数(形状)

m · 磁量子数(取向,实数形式)

每个点 = 一次可能的“发现位置”,按 |ψ|² 抽样 。青/品红 = 波函数的正/负号。氢 1s 的最可能半径 ≈ 0.053 nm。拖动可旋转。

⏸ 纯定态:|ψ|² 不随时间变化——一张“静止照片”。

示意 · 时间放慢约 10¹⁵ 倍
Ψ = α·ψ₁ + β·e−iωt·ψ₂

ω = (E₂ − E₁)/ħ:两部分相位转速之差,决定晃动节拍。

叠加对

混合比例 β²(ψ₁ ← → ψ₂):50%

Orbital Superpositions
with Flow
3s + 4f
spin +Z
示意 · 时间放慢;颜色 = 两种构型(A 青 / B 品红)

测量能量

叠加态 |2,0,0⟩ + |3,2,0⟩。每次测量只给出一个能级:−3.40 eV 或 −1.51 eV,概率 = 各自的权重。

叠加比例 |3,2,0⟩ 权重:50%

示意 · 定性重现 Minev 等,Nature 570, 200 (2019)

薛定谔对了一半

跳跃一旦开始,过程连续、相干、可预测:需要几微秒,中途还能被逆转。

玻尔也对了一半

跳跃何时开始是随机的;而测量能量,结果永远只是一个能级。

波包能量 / 势垒高度:0.91

势垒宽度:1.0×

透射 — 反射 —

实时求解一维薛定谔方程(分步傅里叶法)

☉ 太阳

核心约 1500 万 K,质子热运动能量只有电排斥势垒的几百分之一:靠隧穿才能聚变。

α 衰变 · 1928

伽莫夫(及格尼与康登)用隧穿解释了 α 粒子如何逃出原子核。

闪存 / SSD

电子隧穿约 10 纳米(传统浮栅闪存 7–10 nm)的氧化层,写入和擦除每一个比特。

拖动电子(圆点)到更低的能级,松手发射光子
示意 · 2p→1s 期间的电子云晃动

1947

晶体管:半导体能带——薛定谔方程在晶体中的解。

1960

激光:原子能级之间的受激辐射。

1977

第一次人体磁共振扫描(Damadian,“Indomitable”)。

1981

扫描隧道显微镜:靠隧穿电流“看见”单个原子(1986 年诺奖)。

示意插画 · 薛定谔的猫(1935)

《自然》2025 调查:你最认同哪种诠释?

1100 多位受访者(以物理学家为主)

“多世界”一项原与“一致历史”合并统计(《自然》2025-08 更正)。只有约 24% 的受访者确信自己偏好的诠释是对的。

一个电子,同时做两件事——并且在流动。
Jump or Flow? The question is still open.
灵感来源:@AlexCarten_(2026-10-22)视频 “Orbital Superpositions with Flow” 及配文;本课件的轨道云依据真实氢原子波函数独立重新计算。
主要参考:Heisenberg, Der Teil und das Ganze (1969) · Minev et al., Nature 570, 200 (2019) · Tonomura et al., Am. J. Phys. 57, 117 (1989) · Nature 643, 1175 (2025) · NIST 原子光谱数据 · 按 ? 查看全部来源

电子是跳,还是流?

Jump or Flow?

薛定谔方程 100 年:一个电子,同时处于两个态。
英文旁白 · 中英双语字幕 · 约 12 分钟 · 全部可交互

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