該如何正確理解電子可以再分的實驗

導讀：我來告訴你，該如何正確理解電子可以再分的實驗

電子可以再分，挑戰人類的認識

——靈遁者

電子是我們熟悉的一個物理粒子，初中就開始接觸。我們都知道，電子是基本粒子，不可再分。電子的概念也非常重要。對於電磁學，元素性質等影響很大。但有研究表明，電子是可以再分的，這個新認識，也是很大突破。那麼電子可以再分，意味著什麼呢？電子究竟是如何再分的？一起來看看科學家是如何回答的。

我們都知道，電子是最早發現的基本粒子。帶負電，電量為1.602189×10-19庫侖，是電量的最小單元。質量為9.10953×10-28克。常用符號e表示。

電子是在1897年由英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆生在研究陰極射線時發現。一切原子都由一個帶正電的原子核和圍繞它運動的若干電子組成。另外電子的波動性於1927年由晶體衍射實驗得到證實。

電子可以是自由的(不屬於任何原子)，也可以被原子核束縛。電子屬於亞原子粒子中的輕子類。輕子被認為是構成物質的基本粒子之一。它帶有1/2自旋，即是一種費米子（按照費米—狄拉克統計）。電子的反粒子是正電子，它帶有與電子相同的質量，能量，自旋和等量的正電荷（正電子的電荷為+1，負電子的電荷為-1）。

物質的基本構成單位——原子是由電子、中子和質子三者共同組成。中子不帶電，質子帶正電，原子對外不顯電性。相對於中子和質子組成的原子核，電子的質量極小。質子的質量大約是電子的1840倍。

當電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動時，其產生的凈流動現象稱為電流。各種原子束縛電子能力不一樣，於是就由於失去電子而變成正離子，得到電子而變成負離子。

靜電是指當物體帶有的電子多於或少於原子核的電量，導致正負電量不平衡的情況。當電子過剩時，稱為物體帶負電；而電子不足時，稱為物體帶正電。當正負電量平衡時，則稱物體是電中性的。靜電在我們日常生活中有很多應用方法，其中例子有激光印表機。

再來說說電子的性質特徵，電子在原子內做繞核運動，能量越大距核運動的軌跡越遠，有電子運動的空間叫電子層，第一層最多可有2個電子。第二層最多可以有8個，第n層最多可容納2n2個電子，最外層最多容納8個電子。最後一層的電子數量決定物質的化學性質是否活潑，1、2、3電子為金屬元素，4、5、6、7為非金屬元素，8為稀有氣體元素。

物質的電子可以失去也可以得到，物質具有得電子的性質叫做氧化性，該物質為氧化劑；物質具有失電子的性質叫做還原性，該物質為還原劑。物質氧化性或還原性的強弱由得失電子難易決定，與得失電子多少無關。

由電子與中子、質子所組成的原子，是物質的基本單位。相對於中子和質子所組成的原子核，電子的質量顯得極小。質子的質量大約是電子質量的1842倍。當原子的電子數與質子數不等時，原子會帶電，稱這原子為離子。當原子得到額外的電子時，它帶有負電，叫陰離子，失去電子時，它帶有正電，叫陽離子。

電子與質子之間的吸引性庫侖力，使得電子被束縛於原子，稱此電子為束縛電子。兩個以上的原子，會交換或分享它們的束縛電子，這是化學鍵的主要成因。當電子脫離原子核的束縛，能夠自由移動時，則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動所產生的凈流動現象稱為電流。在許多物理現象里，像電傳導、磁性或熱傳導，電子都扮演了要重要的角色。移動的電子會產生磁場，也會被外磁場偏轉。呈加速度運動的電子會發射電磁輻射。

電荷的最終攜帶者是組成原子的微小電子。在運動的原子中，每個繞原子核運動的電子都帶有一個單位的負電荷，而原子核裡面的質子帶有一個單位的正電荷。正常情況下，在物質中電子和質子的數目是相等的，它們攜帶的電荷相平衡，物質呈中型。物質在經過摩擦後，要麼會失去電子，留下更多的正電荷（質子比電子多）。要麼增加電子，獲得更多的負電荷（電子比質子多）。這個過程稱為摩擦生電。

人們對於電子在原子中的排列問題，進行了長久的研究。在不同的時代，人們對電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測。

最早的原子模型是湯姆孫的梅子布丁模型。發表於1904年，湯姆遜認為電子在原子中均勻排列，就像帶正電布丁中的帶負電梅子一樣。1909年，著名的盧瑟福散射實驗徹底地推翻了這模型。1909年盧瑟福和他的助手蓋革(H.Geiger)及學生馬斯登(E.Marsden)在做α粒子和薄箔散射實驗時觀察到絕大部分α粒子幾乎是直接穿過鉑箔，但偶然有大約1/8000α粒子發生散射角大於90。所以不能用湯姆遜原子模型來解釋。

盧瑟福根據他的實驗結果，於1911年，設計出盧瑟福模型。在這模型里，原子的絕大部分質量都集中在小小的原子核中，原子的絕大部分都是真空。而電子則像行星圍繞太陽運轉一樣圍繞著原子核運轉。這一模型對後世產生了巨大影響，直到現在，許多高科技組織和單位仍然使用電子圍繞著原子核的原子圖像來代表自己。

在經典力學的框架之下，行星軌道模型有一個嚴重的問題不能解釋：呈加速度運動的電子會產生電磁波，而產生電磁波就要消耗能量；最終，耗盡能量的電子將會一頭撞上原子核（就像能量耗盡的人造衛星最終會進入地球大氣層）。於1913年，尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型。在這模型中，電子運動於原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠的軌域能量越高。

電子躍遷到距離原子核更近的軌域時，會以光子的形式釋放出能量。相反的，從低能級軌域到高能級軌域則會吸收能量。藉著這些量子化軌域，玻爾正確地計算出氫原子光譜。但是，使用玻爾模型，並不能夠解釋譜線的相對強度，也無法計算出更複雜原子的光譜。

到1916年，美國物理化學家吉爾伯特·路易士成功地解釋了原子與原子之間的相互作用。他建議兩個原子之間一對共用的電子形成了共價鍵。於1923年，沃爾特·海特勒Walter Heitler和弗里茨·倫敦Fritz London應用量子力學的理論，完整地解釋清楚電子對產生和化學鍵形成的原因。於1919年，歐文·朗繆爾將路易士的立方原子模型。加以發揮，建議所有電子都分布於一層層同心的（接近同心的）、等厚度的球形殼。他又將這些球形殼分為幾個部分，每一個部分都含有一對電子。使用這模型，他能夠解釋周期表內每一個元素的周期性化學性質。

於1924年，奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利用一組參數來解釋原子的殼層結構。這一組的四個參數，決定了電子的量子態。每一個量子態只能容許一個電子佔有。（這禁止多於一個電子佔有同樣的量子態的規則，稱為泡利不相容原理）。這一組參數的前三個參數分別為主量子數、角量子數和磁量子數。第四個參數可以有兩個不同的數值。

於1925年，荷蘭物理學家撒姆耳·高斯密特Samuel Abraham Goudsmit和喬治·烏倫貝克George Uhlenbeck提出了第四個參數所代表的物理機制。他們認為電子，除了運動軌域的角動量以外，可能會擁有內在的角動量，稱為自旋，可以用來解釋先前在實驗里，用高解析度光譜儀觀測到的神秘的譜線分裂。這現象稱為精細結構分裂。

有了這些關於電子的基本內容的介紹，我們接下來看看這個新聞。

100多年前，當美國物理學家Robert Millikan首次通過實驗測出電子所帶的電荷為1.602×10-19C後，這一電荷值便被廣泛看作為電荷基本單元。然而如果按照經典理論，將電子看作「整體」或者「基本」粒子，將使我們對電子在某些物理情境下的行為感到極端困惑，比如當電子被置入強磁場後出現的非整量子霍爾效應。

為了解決這一難題，1980年，美國物理學家Robert Laughlin提出一個新的理論解決這一迷團，該理論同時也十分簡潔地詮釋了電子之間複雜的相互作用。然而接受這一理論確是要讓物理學界付出「代價」的：由該理論衍生出的奇異推論展示，電流實際上是由1/3電子電荷組成的。

但1981年有物理學家提出，在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。英國劍橋大學研究人員和伯明翰大學的同行合作完成了這項研究。公報稱，電子通常被認為不可分。劍橋大學研究人員將極細的「量子金屬絲」置於一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個原子寬度，並將它們置於近乎絕對零度的超低溫環境下，然後改變外加磁場，發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和穴子。

研究人員說，人們對電子性質的研究曾掀起了半導體革命，使計算機產業飛速發展，又出現了實際研究自旋子和空穴子性質的機會，這可能會促進下一代量子計算機的發展，帶來新一輪的計算機革命。

各位，相信你也是第一次聽說這兩個粒子：自旋子，空穴子。按這個報道的話，就是說已經發現了這個粒子。我特意去查了這兩個粒子。

自旋子（英語：spinon）是一種准粒子，是電子出現電荷自旋分離現象時分裂成的三種准粒子之一（另兩種為空穴子與軌道子）。也就是說電子可再分為自旋子，空穴子，軌道子。

2011年進一步的研究發現，在X射線照射下Sr2CuO3中銅原子的電子會躍遷到高能軌道，並分裂成自旋子與攜帶軌道位的軌道子。竟然是2011年的新聞。

軌道子（英語：orbiton）是一種准粒子，是電子出現電荷自旋分離現象時分裂成的三種准粒子之一（另兩種為自旋子與空穴子）。

1997－1998年，van den Brink、Khomskii與Sawatzky從理論上預言了軌道子的存在。2011年的一項研究則在實驗中觀察到了軌道子。實驗使用X射線照射一維Sr2CuO3材料，導致銅原子中的電子躍遷到高能軌道，並分裂成攜帶自旋性質的自旋子與攜帶軌道位的軌道子。

空穴子（英語：holon），又稱為電荷子（chargon），是一種准粒子，是電子出現電荷自旋分離現象時分裂成的三種准粒子之一（另兩種為自旋子與軌道子）。

各位首先在這裡要明確一個概念，那就准粒子的概念。准粒子是一種量子能。從凝聚態物理學上，你也可以這樣想像，准粒子類似於在相互作用粒子系統中的一個實體，當實體中的一個粒子在系統中穿行並朝著一定方向運動，環繞該粒子的其它粒子云因為其間的相互作用而脫離原有的運動軌跡，或者"被拖拽著向某個方向運動"，從宏觀上看來 ，這一系統就像一個自由運動著的整體，也就是一個"准粒子"。實際上這不是一個實在的粒子。

元激發和准粒子的概念，是Landau在他的流體量子理論中首先引入的，這是固體量子理論的重要概念，已逐漸發展為元激發物理。

固體是由大數量(數量級1029/m3)有較強相互作用的微觀質粒(分子、原子或離子，電子等)組成，它們的運動是互相關聯和互相制約的集體運動。按照量子力學的描述，這樣的集體運動在固體內形成一種波動和相應的波場。在處於接近基態的低激發態時，在簡諧近似下，這種激發的波動可看作一系列頻率不同的平面波，這些平面波相應於具有一定能量和動量，並且滿足某種色散律的准粒子。

這樣的處理，將有較強相互作用的多粒子系統，變成為許多獨立准粒子的集合，故可用統一的方式描述固體的性質，而且使問題的處理大為簡化。

值得注意的是，元激發和准粒子是用量子力學處理多粒子系統時人為引入的概念，並不是真實的微觀粒子，它們不能脫離固體而單獨存在；而且，隨著溫度升高或強的外部激發，系統將處於高的激發態，准粒子數隨之增大，因此准粒子系統的粒子數是不守恆的，元激發之間的相互作用就漸顯重要，從而對固體性質有重要影響。

元激發和准粒子一般有二種類型。一種是Bose型元激發，相應的准粒子是玻色子，如聲子、轉子、磁振子(自旋波量子)，等離激元、激子等；另一種是Fermi型元激發，相應的准粒子是費米子，如准電子、空穴子、極化子等。實際上極化子是電子和聲子耦合的複式元激發，複式元激發最為重要是光子-TO聲子的極化激元和激子-TO聲子的極化激元等。隨著固體非線性行為研究的深入，非線性的元激發-孤子正在步入各個研究領域。

元激發和准粒子的概念，是固態量子理論發展的里程碑，應用的範圍涉及表面物理、非晶態物理，以及材料科學、信息科學，能源科學等許多研究領域，非線性元激發已引起物理學家的廣泛重視

有了上面的鋪墊，我們來看這個新聞：一個由瑞士保羅·謝爾研究所實驗物理學家和德國德累斯頓固體和材料研究所理論物理學家領導的國際研究小組通過實驗發現，一個電子分裂成兩個獨立的准粒子：自旋子（spinon）和軌道子（orbiton）。這一結果發表在近日的《自然》雜誌上。

以往人們認為電子是一種基本粒子，無法分裂為更小部分。上世紀80年代，物理學家預言，電子以原子的一維鏈形式存在，可以分裂成3個准粒子：空穴子攜帶電子電荷，自旋子攜帶旋轉屬性（一種與磁性有關的內在量子性質），軌道子攜帶軌道位。1996年，物理學家將電子空穴和自旋子分開，自旋和軌道這兩種性質伴隨著每一個電子。

然而，新實驗觀察到這兩種性質分開了——電子衰變為兩個不同部分，各自攜帶電子的部分屬性：一個是自旋子，具有電子的旋轉屬性；另一個是軌道子，具有電子繞核運動的屬性，但這些新粒子都無法離開它們的物質材料。

研究人員用瑞士光源（Swiss Light Source）的X射線對一種叫做Sr2CuO3的鍶銅氧化物進行照射，讓其中銅原子的電子躍遷到高能軌道，相應電子繞核運動的速度也就越高。他們發現，電子被X射線激發後分裂為兩部分：一個是軌道子，產生軌道能量；另一個是自旋子，攜帶電子的自旋性及其他性質。Sr2CuO3有著特殊性質，材料中的粒子會被限制只能以一個方向運動，向前或向後。通過比較X射線照射材料前後的能量與動量的變換，可以追蹤分析新生粒子的性質。

實驗小組領導托斯登·施密特說：「這些實驗不僅需要很強的X射線，把能量收縮在極狹窄範圍，才能對銅原子的電子產生影響，還要有極高精度的X射線探測儀。」

「這是首次觀察到電子分成了獨立的自旋子和軌道子。現在我們知道了怎樣找到它們。下一步是同時產生出空穴子、自旋子和軌道子來。」理論小組領導傑羅恩·范德·布林克說，「在材料中，這些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向運動。這是因為它們被限制在材料中時，性質就像波。當被激發時，波分裂為多個，每個攜帶電子的不同特徵，但它們不能在材料以外獨立存在。」

觀察到電子分裂將對一些前沿領域產生重要影響，如高溫超導和量子計算機。Sr2CuO3中的電子和銅基超導材料中的電子有著相似的性質，該研究為高溫超導研究提供了一條新途徑。此外，研究軌道子有助於開發量子計算機。「同時用自旋子和軌道子來編碼和操控信息，這可能是未來發展的方向。」英國牛津大學物理學家安德魯·波斯羅伊德說，「量子計算機的一個主要障礙是量子效應會在完成計算之前被破壞。而軌道子的躍遷速度只要幾飛秒（1飛秒=10的負15次方秒），這樣的速度為製造現實量子計算機帶來了更多機會。」

讀到這裡，你怎麼理解這個實驗？不太好理解，看時間是2012年的央視新聞，電子分裂實驗，應該是諾獎級別的實驗。所以對於該新聞還是要有謹慎態度。

因為這是一種激發過程，激發就難免碰撞和能量的交互。那麼如何排除不是光子或其他能量的效應。這一點要考慮進去。你仔細讀讀這句話「在材料中，這些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向運動。這是因為它們被限制在材料中時，性質就像波。當被激發時，波分裂為多個，每個攜帶電子的不同特徵，但它們不能在材料以外獨立存在。」

它這個描述甚至連想像的餘地都沒有。你試著去想像一下，就會覺得痛苦。這三種空穴子、自旋子和軌道子是准粒子，那就不是粒子。無論是不是，它不能在材料外獨立存在，這就是說沒有直接捕獲。也就是電子的分裂是捕獲的分裂跡象。我這樣描述的時候，大家是不是也覺得不好理解。

電子可以再分的一個啟發是，其他基本粒子也可以再分。其實我倒覺得物理學家反覆去創造一些類似於上面這些「子」概念，會使得物理越走越難。因為這些概念，其實並不簡潔。

再思考一下，電子可以分為三個類型的粒子。空穴子、自旋子和軌道子。問題來了，空穴子攜帶電子電荷，那麼空穴子這種准粒子本身還具有自旋和軌道性質嗎？如果不具有，該如何想像？如果具有，那麼該如何理解？所以我說這個不好理解。

如果電子可以實實在在分裂為這三個粒子，那就是一種新發現，新粒子的出現。如果不能脫離材料外出現，連觀測都會不容易。那麼理論明確化，就會受到制約。

還有該理論和夸克理論，似乎有相似之處。因為我們目前也沒有觀測到獨立的夸克。所以電子可再分的意義，以及問題，其實有很多很多的。

最後強調，電子再分，不是說分裂成了三個實粒子，而是准粒子。准粒子大多是為了簡化系統的描述，而提出的粒子，並不真實。但它有可觀測的跡象。試想一下，如果真的電子再分為三個粒子，那麼該實驗一定是諾獎級別的，一定會轟動世界。

本章只是介紹新理論，新知識。新理論，新知識你可以提出自己的理解，甚至是質疑。我們對於世界的認識，就是這樣深化的。我期待該理論的明確化。不過還有一點，大家應該聯想到。我在《變化》中有說過，認為宇宙是無限大的。那麼物質世界的尺寸，沒有最大，那麼也應該沒有最小。所以電子能夠再分，是一個可以想像的事情。最後祝大家學習閱讀快樂。

摘自獨立學者，科普作家靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

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