在量子物理領域對「微小電子」的定義，它和宇宙有什麼關係？

作者：文/虞子期

此時，當你回憶起高中時代，首先映入腦海的會是怎樣一副畫面？是否還記得高中科學書籍中所提到的電子？如果還記得書籍中的電子形狀和對應的解釋，那麼對這句話應該會很熟悉：電子是比原子更小的負電荷小球。然而，隨著我們年齡的增長、科學的進步和知識的積累，逐漸了解到這些與事實中的電子特性相去甚遠。

原子和我們周圍的世界有何關聯

原子組成我們周圍世界的主要組成部分之一，便是電子。正是圍繞每個原子核的電子，決定了相關化學反應是怎麼進行的。關於這些知識，在現代工業中的應用相當豐富，比如：從電子和焊接，到成像和先進的粒子加速器。如果在物理實驗中，將電子置於科學探究的中心位置，那麼電子的形狀會是什麼樣子？這是一個看似簡單、卻具有較高難度的問題。

在量子物理領域調整形狀的定義

根據目前物理學家們所知道的內容來看，電子並不具備內部結構，所以電子這個詞最典型的含義就是沒有形狀。在現代語言中，小於原子核的物體行為可以由粒子物理學解答：「量子湯」是連續不斷的「流狀物質」，也是物質的基本塊，它可以充分滲透到我們周圍的整個空間里。在這種特定的語言中，電子被看作「電子場」的粒子、又或是量子。

如果可以理解上面這一點，當我們不能通過顯微鏡、或者任何其他光學設備，直接看到電子的形狀，它是否還有意義？首先，只有當我們調整了自己對形狀的定義，才有可能解答這個疑問。該定義可以在量子物理領域中使用，換而言之，它可以在極小的距離內使用。在宏觀世界中，我們看到了不同的形狀，這便意味著我們的眼睛也具有探測能力，可以觀測我們周圍不同物體的反射光線。

這是一種看似奇怪的思考方式，定義它們的形狀，是通過觀察到的物體在光線照射到它們時的反應。但這樣的方式，卻是量子粒子的亞原子世界中非常有用的形式，它在為我們提供定義電子特性方法的一種的同時，還模仿了我們在古典世界中描述形狀的方式。到底是什麼取代了微觀世界中的基本形狀概念？因為光只是震蕩磁場和電場的組合，所以我們這樣定義電子的量子特性是非常有用的。所施加的磁場和電場，目標電子將會攜帶關於它如何響應的信息。

特定外部電場中電子的2個特性

我們可以從電荷這個電子最簡單的特性著手。如果放置在一些特定的外部電場中，它不僅描述了力，最終更是電子將經歷的加速度。通過一個簡單的示例可以更形象的來說明：在基礎物理學的書籍中，電子的「帶電球」類比，一個帶有負電的大理石同樣也可以發生類似的反應。

於此同時，電子還有另外一個「倖存」特性，被稱為磁偶極矩。這四個字告訴了我們電子如何對磁場做出自己的反應：電子的行為和一個微小的條形磁鐵很像，一直試圖沿著磁場的方向定向。即使不能不過多地採用這樣的類比，這是需要記住的一件很重要的事。但是，它們的存在，也的確幫助我們了解了一些關鍵點，比如：為什麼物理學家要儘可能精確的測量這些量子特性。

量子特性是否描述了電子的形狀

量子特性對描述電子的形狀意味著什麼？實際上，物理學家們有幾個最簡單、並最有用的說明，那就是電偶極矩和電火花加工。經典物理學中的EDM是在電荷空間分離時才會出現，如果是沒有電荷分離的帶電球體，那麼它的EDM值應該是零。

當啞鈴的重量相反時，則會出現一側為負、一側為正的情況。而宏觀世界中的這種「啞鈴」是具有「非零電偶極矩」的。如果物體的形狀可以決定電荷的分布，這便意味著物體的形狀必須和球形有所不同，這就是為什麼EDM將量化宏觀物體「啞鈴」的原因之所在。

電子電荷和磁偶極矩的數值被改變

但是，在量子的世界中，EDM的故事則完全不同。在這個世界裡，電子周圍的真空並不符合它的名字，即：這個真空並不是空的。與之相反，這個「真空」的空間是由各種亞原子利息填充後短時間的虛擬存在。在電子的周圍，這些虛擬的粒子形成了「雲」。此時，只需要將光線照射在這些電子上，那麼其中的一些光便可以從雲中的虛擬粒子反彈，而不是從該電子本身。

這些反應意味著什麼？電子電荷和磁偶極矩的數值都將被改變！通過量子特性的精確測量，我們可以捕捉到電子和虛擬粒子的相互作用表現，以及電子的EDM是否也會被改變。這其中最有意思的當是我們可能會發現未知的粒子種類。通過將目前公認的宇宙理論（標準模型）中計算的EDM尺寸理論和測量到的結果進行比較，然後觀察得出它們對電子偶極矩所帶來的影響。

理論模型如何解決標準模型的缺點

在已有標準模型的情況下，之所以會提出理論模型，自然是為了解決現有模型的缺點，達到預測新的重粒子存在的目的。通過這些模型，我們可以填補目前宇宙理解的空白部分。而模型的驗證，則可以通過證明新的重粒子的存在。同時，我們還可以了解到「雲」中的電荷分布和對電子EDM影響是如何被這些新粒子改變的。所以，通過ACME實驗中電子偶極矩的觀察，便可以證明事實上的確存在新的粒子，這也是該實驗的終極目標。

有一個有趣的結果，那就是ACME並沒有觀察到：EDM在實際上排除了在LHC上最容易監測到的「重質新粒子」的存在。對於一個桌面大小的試驗而言，這已然是一個不同一般的實驗結果。這對我們在巨型強子對撞機上直接搜索新粒子的計劃產生了影響，甚至包括我們的理論應該如何構建描述自然。通過研究電子如此小的東西，居然可以告訴我們很多關於宇宙的事實，這的確是一件神奇的事。

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