電子的本質

英國物理學家約瑟夫·湯姆遜在劍橋大學卡文迪什實驗室工作

在我曾經學習工作4年多的這個實驗室里，每天吃午飯的時候，我都會在實驗室餐廳的南面牆上看到一幅油畫。油畫中的人物面容嚴肅，稍顯刻薄，手中拿著一個玻璃管，望向遠方。畫中的人物就是實驗室的第三任主任約瑟夫·湯姆遜（Joseph Thomson），他作為一個出色的理論和實驗物理學家，一生成就卓著，而其中最重要的成就就是在1897年發現了電子——這是人類認識到的第一種亞原子粒子，這個了不起的發現為他帶來了1906年的諾貝爾物理獎，也使他成為19世紀和20世紀最偉大的物理學家之一。

電子的英文名稱「Electron」，實際上是由英國物理學家喬治·斯托尼（George Stoney）最早在1874年提出的，用來定義電量。3年之後，約瑟夫·湯姆遜巧妙地設置電場和磁場，解決了困擾物理學界幾十年的關於「陰極射線」本質的問題。約瑟夫·湯姆遜通過實驗證明，陰極射線是由一些質量極小的帶有負電荷的粒子組成的，這種粒子也就被命名為「Electron」，他隨之認識到，電子是一種基本粒子，它也是原子的組成部分。

電子的發現使人類第一次真正地走進微觀世界，並且從此開始，步入現代社會。而在一個世紀之後，這個帶有負電荷的極其微小的、年齡和宇宙一樣悠久的基本粒子，仍然是一個困擾著物理學家的難題，關於它的本質，關於它對於物理學的未來的影響，仍然難以預測。

人們怎樣認識電子？在大多數人心目中，電子被簡化為一個帶有負電荷的點，但是，人們對於電子的研究越深刻，就發現它越有可能存在著複雜的結構。在1924年，法國物理學家路易·維克多·德布羅意（Louis Victorde Broglie）受到愛因斯坦的啟發，認為微觀粒子如電子也可能具有波的性質，這個預測在1927年由喬治·湯姆遜（George Thomson）、柯林頓·戴維森（Clinton Davisson）和雷斯特·革末（Lester Germer）分別通過電子衍射實驗證明，這個發現也為這三人中的前兩位帶來了1937年諾貝爾物理獎（約瑟夫·湯姆遜通過證明電子是一種粒子而獲得諾貝爾物理獎，21年後他的兒子喬治·湯姆遜通過證明電子是一種波而獲得同樣獎項）。

電子具有波粒二象性隨著量子力學的發展而逐漸被人們所接受，但是這還遠非電子的本質。在1924年，奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）提出了電子「自旋」的概念。緊接著，在1928年，英國物理學家保羅·狄拉克發表了狄拉克方程，這個方程可以用來描述相對論性電子的行為，根據這個方程，保羅·狄拉克在1931年預測了「正電子」的概念。很快，在1932年就由美國物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）在研究宇宙射線的過程中發現了電子的反粒子——正電子（Positron）。

一個微小的粒子，卻逐漸展示出一個複雜的世界，人們開始追問，電子究竟是什麼？該怎麼樣理解電子的本質？是什麼樣的內部結構使它具有自旋，它為什麼具有特定的質量和電荷？又為什麼會擁有自己的反粒子？就連預測出正電子存在的保羅·狄拉克也發問：為什麼自然選擇這樣的一種電子，而不僅僅是一個帶有負電荷的點？

無論如何，電子在絕大多數的情況下都被人們認為只是一個沒有內部結構的、具有固有的角動量的點而已，確定一個電子的只有兩個數值：它的質量和它所帶的電量。但是這種極度簡單化的電子在極高能量的情況下，卻有可能顯示出極為不尋常的性質。被認為是沒有內部結構的電子，當它以極高的能量（至少1兆電子伏）與一個正電子相碰撞，就有可能通過碰撞產生出夸克、膠子、Muon介子、輕子、光子、中微子等各式各樣的亞原子粒子出來，這種現象被稱為「量子審查」，也就是說，粒子的性質隨著它所具有的能量而發生改變。美國斯坦福大學的物理學家倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）風趣地說過，只要電子和正電子相撞時的能量足夠大，就「可能會碰撞出桌子椅子什麼的」。

電子因為帶有負電荷，同時又具有自旋，它自身具有電場和磁場。對於電子自身具有磁場的原因，物理學家目前給出的解釋是，由於量子世界的不確定性，一個電子的位置並不固定，因此電子的電量「模糊」地分布在一定的空間範圍內，也就形成了磁場。而人類對於電子自身的電場和磁場的了解程度卻是完全不同——物理學家對於電子磁場強度的預測與實驗結果驚人地吻合，而同時他們對於電子自身電場卻仍然幾乎一無所知，對於電子電場的強度至今也沒有測量過。

與電子磁場相關的電子旋磁比（G-factor）一直是20世紀物理學研究的焦點之一。保羅·狄拉克預測，這個數值在理論上等於2。在第二次世界大戰之前對於電子旋磁比的測量顯示它確實等於2，但是在第二次世界大戰之後，物理學家對於電子旋磁比的測量精度大大提高，他們發現這個數值並不是精確地等於2，而是有所偏差。這種極其微小的偏差，是由於在電子周圍不斷產生又湮滅的虛擬粒子對電子的干擾產生的，把電子周圍虛擬粒子的干擾因素考慮在內之後，物理學家們對於電子旋磁比的理論估計與實驗測量結果達到了驚人的高度吻合，這說明人類對於電子本質的理解進入了更深的層次。

人類對於電子的本質始終抱有強烈的好奇心，對電子的探索也從未曾結束。2011年，英國帝國理工學院的幾位物理學家進行了一個聽上去令人匪夷所思的實驗：他們準備測量電子的形狀！電子雖然長期被簡化地理解為一個只具有質量、電量和自旋的點，但是毫無疑問電子具有內在結構使它產生自旋。2011年5月26日，來自帝國理工學院的物理學家強尼·哈德森（Jony Hudson）和他的同事們在《自然》雜誌上發表論文《對於電子形狀的改進測量》（Improved Measurement of the Shape of the Electron），介紹了他們利用激光測量一種分子在電場中的微小扭曲，從而測得電子的形狀。

對於這種精度極高、操作時間極短的測量實驗，他們一共進行了2500萬次，從而得到電子的準確形狀——出乎很多人預料的是，結果顯示電子的形狀是非常完美的圓形。強尼·哈德森解釋說，如果我們把電子放大到整個太陽系那麼大，那麼我們對於電子形狀的測量就已經精確到了一根頭髮絲的寬度。

所謂電子的形狀，是指在電子的周圍存在著眾多虛擬粒子，這些虛擬粒子與電子不停地相互作用，不可分割，它們已經成為電子的一部分。強尼·哈德森測量電子的形狀和大小，正是指電子與它周圍相互作用的虛擬粒子的形狀。電子的形狀，對於物理學的意義非常重大。根據標準模型的預測，電子應該呈現出完美的圓形，而根據其他一些理論（比如超對稱理論）的預測，電子不是完美的圓形，而應該是類似於雞蛋的形狀，這關係到為什麼在宇宙中物質遠多於反物質。正是出於這個原因，強尼·哈德森的精確測量意義重大，這個結果肯定了標準模型的預測，卻使得超對稱理論處在懸崖邊上。需要注意的是，標準模型並非是一個包羅萬象的理論，即使這個理論對於電子形狀的預測正確，物理學家仍然需要尋找更加一般性的理論來描述自然。

因為電子的獨特地位，它的性質關係到物理學的根本和未來，所以物理學家對它的各種測量永遠不會停止。但是我們不妨暫時忘記電子的各種深遠意義，記取詩人海子的詩句——「今夜我不關心人類，我只想你。」這種來自於時間和空間的源頭，瀰漫於整個宇宙的粒子最終所牽動的，是人類永恆的好奇心。

（本文參考了弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek）在《自然》雜誌上的文章《神秘莫測的電子》）
推薦閱讀：