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电子的本质

2013-07-24 13:38 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第29期
一个微小的粒子,展示出的却是一个复杂的世界,电子究竟是什么?

英国物理学家约瑟夫·汤姆逊在剑桥大学卡文迪什实验室工作

在我曾经学习工作4年多的这个实验室里,每天吃午饭的时候,我都会在实验室餐厅的南面墙上看到一幅油画。油画中的人物面容严肃,稍显刻薄,手中拿着一个玻璃管,望向远方。画中的人物就是实验室的第三任主任约瑟夫·汤姆逊(Joseph Thomson),他作为一个出色的理论和实验物理学家,一生成就卓著,而其中最重要的成就就是在1897年发现了电子——这是人类认识到的第一种亚原子粒子,这个了不起的发现为他带来了1906年的诺贝尔物理奖,也使他成为19世纪和20世纪最伟大的物理学家之一。

 电子的英文名称“Electron”,实际上是由英国物理学家乔治·斯托尼(George Stoney)最早在1874年提出的,用来定义电量。3年之后,约瑟夫·汤姆逊巧妙地设置电场和磁场,解决了困扰物理学界几十年的关于“阴极射线”本质的问题。约瑟夫·汤姆逊通过实验证明,阴极射线是由一些质量极小的带有负电荷的粒子组成的,这种粒子也就被命名为“Electron”,他随之认识到,电子是一种基本粒子,它也是原子的组成部分。

电子的发现使人类第一次真正地走进微观世界,并且从此开始,步入现代社会。而在一个世纪之后,这个带有负电荷的极其微小的、年龄和宇宙一样悠久的基本粒子,仍然是一个困扰着物理学家的难题,关于它的本质,关于它对于物理学的未来的影响,仍然难以预测。

人们怎样认识电子?在大多数人心目中,电子被简化为一个带有负电荷的点,但是,人们对于电子的研究越深刻,就发现它越有可能存在着复杂的结构。在1924年,法国物理学家路易·维克多·德布罗意(Louis Victorde Broglie)受到爱因斯坦的启发,认为微观粒子如电子也可能具有波的性质,这个预测在1927年由乔治·汤姆逊(George Thomson)、克林顿·戴维森(Clinton Davisson)和雷斯特·革末(Lester Germer)分别通过电子衍射实验证明,这个发现也为这三人中的前两位带来了1937年诺贝尔物理奖(约瑟夫·汤姆逊通过证明电子是一种粒子而获得诺贝尔物理奖,21年后他的儿子乔治·汤姆逊通过证明电子是一种波而获得同样奖项)。

电子具有波粒二象性随着量子力学的发展而逐渐被人们所接受,但是这还远非电子的本质。在1924年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)提出了电子“自旋”的概念。紧接着,在1928年,英国物理学家保罗·狄拉克发表了狄拉克方程,这个方程可以用来描述相对论性电子的行为,根据这个方程,保罗·狄拉克在1931年预测了“正电子”的概念。很快,在1932年就由美国物理学家卡尔·安德森(Carl Anderson)在研究宇宙射线的过程中发现了电子的反粒子——正电子(Positron)。

一个微小的粒子,却逐渐展示出一个复杂的世界,人们开始追问,电子究竟是什么?该怎么样理解电子的本质?是什么样的内部结构使它具有自旋,它为什么具有特定的质量和电荷?又为什么会拥有自己的反粒子?就连预测出正电子存在的保罗·狄拉克也发问:为什么自然选择这样的一种电子,而不仅仅是一个带有负电荷的点?

无论如何,电子在绝大多数的情况下都被人们认为只是一个没有内部结构的、具有固有的角动量的点而已,确定一个电子的只有两个数值:它的质量和它所带的电量。但是这种极度简单化的电子在极高能量的情况下,却有可能显示出极为不寻常的性质。被认为是没有内部结构的电子,当它以极高的能量(至少1兆电子伏)与一个正电子相碰撞,就有可能通过碰撞产生出夸克、胶子、Muon介子、轻子、光子、中微子等各式各样的亚原子粒子出来,这种现象被称为“量子审查”,也就是说,粒子的性质随着它所具有的能量而发生改变。美国斯坦福大学的物理学家伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)风趣地说过,只要电子和正电子相撞时的能量足够大,就“可能会碰撞出桌子椅子什么的”。

电子因为带有负电荷,同时又具有自旋,它自身具有电场和磁场。对于电子自身具有磁场的原因,物理学家目前给出的解释是,由于量子世界的不确定性,一个电子的位置并不固定,因此电子的电量“模糊”地分布在一定的空间范围内,也就形成了磁场。而人类对于电子自身的电场和磁场的了解程度却是完全不同——物理学家对于电子磁场强度的预测与实验结果惊人地吻合,而同时他们对于电子自身电场却仍然几乎一无所知,对于电子电场的强度至今也没有测量过。

与电子磁场相关的电子旋磁比(G-factor)一直是20世纪物理学研究的焦点之一。保罗·狄拉克预测,这个数值在理论上等于2。在第二次世界大战之前对于电子旋磁比的测量显示它确实等于2,但是在第二次世界大战之后,物理学家对于电子旋磁比的测量精度大大提高,他们发现这个数值并不是精确地等于2,而是有所偏差。这种极其微小的偏差,是由于在电子周围不断产生又湮灭的虚拟粒子对电子的干扰产生的,把电子周围虚拟粒子的干扰因素考虑在内之后,物理学家们对于电子旋磁比的理论估计与实验测量结果达到了惊人的高度吻合,这说明人类对于电子本质的理解进入了更深的层次。

人类对于电子的本质始终抱有强烈的好奇心,对电子的探索也从未曾结束。2011年,英国帝国理工学院的几位物理学家进行了一个听上去令人匪夷所思的实验:他们准备测量电子的形状!电子虽然长期被简化地理解为一个只具有质量、电量和自旋的点,但是毫无疑问电子具有内在结构使它产生自旋。2011年5月26日,来自帝国理工学院的物理学家强尼·哈德森(Jony Hudson)和他的同事们在《自然》杂志上发表论文《对于电子形状的改进测量》(Improved Measurement of the Shape of the Electron),介绍了他们利用激光测量一种分子在电场中的微小扭曲,从而测得电子的形状。

对于这种精度极高、操作时间极短的测量实验,他们一共进行了2500万次,从而得到电子的准确形状——出乎很多人预料的是,结果显示电子的形状是非常完美的圆形。强尼·哈德森解释说,如果我们把电子放大到整个太阳系那么大,那么我们对于电子形状的测量就已经精确到了一根头发丝的宽度。

所谓电子的形状,是指在电子的周围存在着众多虚拟粒子,这些虚拟粒子与电子不停地相互作用,不可分割,它们已经成为电子的一部分。强尼·哈德森测量电子的形状和大小,正是指电子与它周围相互作用的虚拟粒子的形状。电子的形状,对于物理学的意义非常重大。根据标准模型的预测,电子应该呈现出完美的圆形,而根据其他一些理论(比如超对称理论)的预测,电子不是完美的圆形,而应该是类似于鸡蛋的形状,这关系到为什么在宇宙中物质远多于反物质。正是出于这个原因,强尼·哈德森的精确测量意义重大,这个结果肯定了标准模型的预测,却使得超对称理论处在悬崖边上。需要注意的是,标准模型并非是一个包罗万象的理论,即使这个理论对于电子形状的预测正确,物理学家仍然需要寻找更加一般性的理论来描述自然。

因为电子的独特地位,它的性质关系到物理学的根本和未来,所以物理学家对它的各种测量永远不会停止。但是我们不妨暂时忘记电子的各种深远意义,记取诗人海子的诗句——“今夜我不关心人类,我只想你。”这种来自于时间和空间的源头,弥漫于整个宇宙的粒子最终所牵动的,是人类永恒的好奇心。

(本文参考了弗朗克·韦尔切克(Frank Wilczek)在《自然》杂志上的文章《神秘莫测的电子》)

 

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