電子外形什麼樣？課本中描述與事實相差甚遠

　　電子通常被認為是構成世界的原子最主要成分之一，每個原子的核周圍都有電子，從而決定化學反應如何進行

　　新浪科技訊 北京時間2月27日消息，據國外媒體報道，電子的外形結構是怎樣的？如果你回想一下高中課本，答案似乎很清晰：電子是一個帶負電荷的小球，它比原子還小。但是這與事實相差甚遠。

　　電子通常被認為是構成世界的原子最主要成分之一，每個原子的核周圍都有電子，從而決定化學反應如何進行。電子在工業領域上的應用非常廣泛：焊接，電子成像和先進粒子加速器。目前，「高級冷分子電子電偶極矩（ACME）」物理實驗將電子放置在科學探索的中心舞台，ACME實驗將試圖揭曉一個看似簡單的問題：電子的外形是什麼？

　　傳統外形和量子外形？

　　據物理學家目前所了解的，電子沒有內部結構，因此電子在傳統意義上沒有外形結構。粒子物理現代語言研究比原子核更小的物體行為，物質基本模塊是叫做「量子場」的連續流體物質。知道這一點，如果我們不能在顯微鏡或者其它光學設備上直接看到電子形狀，那麼討論它的外形還有什麼意義呢？

　　為了解答這個問題，必須調整我們對形狀結構的定義，這樣就可以在非常小的距離上應用，或者換句話講，在量子物理領域。我們在宏觀世界中看到不同的形狀，實際上意味著是用我們的眼睛來檢測光線反射到周圍不同物體上的狀況。

　　簡單地講，我們通過觀察物體被光線照射時的反應來定義物體外形結構。雖然這可能是一種奇怪的思考外形結構的方式，但這在量子粒子的亞原子世界中是非常有用的。它給予我們一種定義電子屬性的方法，這樣它們就能模擬我們在傳統世界中描述物體外形結構的方式。

　　是什麼取代了微觀世界中形狀的概念？光線只不過是振蕩的電場和磁場的組合，因此定義電子的量子性質是非常有用的，這種電子攜帶著有關它如何對外加電場和磁場做出反應的信息。讓我具體驗證一下吧！

　　電場和磁場中的電子

　　電子最簡單的屬性是它的電荷，該屬性描述了這種外力，以及電子在外部電場中的加速度。一個帶負電荷「電球」也會出現類似的反應，在初中物理課本中有將電子作為「電球」的比喻描述。電子帶有電荷的屬性在量子世界中仍然存在。

　　同樣地，電子的另一種「存在屬性」叫做磁偶極矩，它揭曉了電子在磁場中的反應。在這一方面，電子行為就像一個微小的條形磁鐵，試圖使自己沿著磁場的方向運行。這將有助於我們理解為什麼物理學家對儘可能精確地測量量子特性感興趣。

　　描述電子外形的量子屬性是什麼？最簡單的屬性，也是對物理學家最實用的就是電偶極矩（EDM）。

　　在傳統物理學中，電偶極矩是電荷空間分離情況下產生的。帶電球體不存在電荷分離，電偶極矩為零。你可以將電偶極矩想像成為一個啞鈴，它的重量是相反電荷，一側是負電荷，一側是正電荷。在宏觀世界中，這個啞鈴會有一個非零電偶極矩，如果一個物體的形狀反映了它的電荷分布，這將意味著這個物體的形狀必須與球體形狀不同。因此，電偶極矩在宏觀角度可視為「啞鈴化」。

　　量子世界中的電偶極矩

　　然而電偶極矩的解釋在量子世界中卻完全不同，並非傳統物理學中的「啞鈴」。量子世界中，電子周圍的真空並非是空的和靜止的，相反，它是由各種各樣的亞原子粒子構成，這些粒子在短時間內迅速進入虛擬世界。

　　這些虛擬粒子在電子周圍形成「雲」，如果我們將光線照射在電子上，一些光線會在雲中的虛擬粒子上發生反射，而不是電子本身。

　　這將改變電荷和磁場、電場電偶極矩的數值，對這些量子特性進行非常精確的測量可以揭示難以捉摸的虛擬粒子在電子相互作用時的行為，以及它們是否改變了電子的電偶極矩。

　　最有趣的是，在這些虛擬粒子中有可能存在我們還未發現的未知新粒子。為了觀察它們對電子電偶極矩的影響，我們需要將測量結果與目前公認的宇宙理論（標準模型）中的理論預測電偶極矩大小進行對比分析。

　　迄今為止，標準模型精確地描述了所有實驗室的測量數值。然而，它卻無法解決許多最基本的問題，例如：為什麼物質在整個宇宙中佔主導地位。標準模型也對電子的電偶極矩進行了預測：電子要求電偶極矩非常小，然而如果ACME實驗實際檢測到電子的電偶極矩的非零值，會發生什麼情況呢？

　　修補標準模型中的漏洞

　　理論模型的提出彌補了標準模型的不足，預測了新的重粒子的存在。這些模型可能會填補我們對宇宙理解的空白。為了驗證這些模型，我們需要證實這些新的重粒子的存在。這可以通過大型實驗來實現，例如：在國際大型強子對撞機（LHC）上通過直接高能量碰撞形成新粒子而實現。

　　或者，我們可以看到這些新粒子如何改變「雲」中電荷分布以及電子電偶極矩效應。因此，在ACME實驗中對電偶極矩的清晰觀察將證明實際存在的新粒子，這就是該項實驗的目標。

　　這就是為什麼近期《自然》雜誌上一篇關於電子的文章引起了科學家的關注，科學家利用電子電偶極矩的測量結果以及其它基本粒子性質的測量結果，來幫助識別新粒子，並預測如何更好地研究它們。這樣做是為了闡明這些粒子在我們當前對宇宙的理解認識中所充當的角色。

　　如何測量電偶極矩呢？我們需要找到一個強電場的來源測試一個電子的反應。這種強電場的一個可能來源可以在一氧化釷這樣的分子中找到。這是ACME實驗中使用的分子，對這些分子發射調諧激光，可以獲得電子的電偶極矩讀數，但是前提是電偶極矩數值不是太小。

　　然而，事實證明確實如此，參與ACME實驗的物理學家並未觀察到電子的電偶極矩——表明電偶極矩數值太小，他們的實驗設備也無法檢測到。這一事實對於我們理解未來大型強子對撞機實驗的結果具有重要意義。（葉傾城）

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