電子外形什么樣？課本中描述與事實(shí)相差甚遠(yuǎn)

電子通常被認(rèn)為是構(gòu)成世界的原子最主要成分之一，每個(gè)原子的核周圍都有電子，從而決定化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，電子的外形結(jié)構(gòu)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(gè)帶負(fù)電荷的小球，它比原子還小。但是這與事實(shí)相差甚遠(yuǎn)。

電子通常被認(rèn)為是構(gòu)成世界的原子最主要成分之一，每個(gè)原子的核周圍都有電子，從而決定化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行。電子在工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用非常廣泛：焊接，電子成像和先進(jìn)粒子加速器。目前，“高級(jí)冷分子電子電偶極矩（ACME）”物理實(shí)驗(yàn)將電子放置在科學(xué)探索的中心舞臺(tái)，ACME實(shí)驗(yàn)將試圖揭曉一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題：電子的外形是什么？

傳統(tǒng)外形和量子外形？

據(jù)物理學(xué)家目前所了解的，電子沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此電子在傳統(tǒng)意義上沒(méi)有外形結(jié)構(gòu)。粒子物理現(xiàn)代語(yǔ)言研究比原子核更小的物體行為，物質(zhì)基本模塊是叫做“量子場(chǎng)”的連續(xù)流體物質(zhì)。知道這一點(diǎn)，如果我們不能在顯微鏡或者其它光學(xué)設(shè)備上直接看到電子形狀，那么討論它的外形還有什么意義呢？

為了解答這個(gè)問(wèn)題，必須調(diào)整我們對(duì)形狀結(jié)構(gòu)的定義，這樣就可以在非常小的距離上應(yīng)用，或者換句話講，在量子物理領(lǐng)域。我們?cè)诤暧^世界中看到不同的形狀，實(shí)際上意味著是用我們的眼睛來(lái)檢測(cè)光線反射到周圍不同物體上的狀況。

簡(jiǎn)單地講，我們通過(guò)觀察物體被光線照射時(shí)的反應(yīng)來(lái)定義物體外形結(jié)構(gòu)。雖然這可能是一種奇怪的思考外形結(jié)構(gòu)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?cè)趥鹘y(tǒng)世界中描述物體外形結(jié)構(gòu)的方式。

是什么取代了微觀世界中形狀的概念？光線只不過(guò)是振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的組合，因此定義電子的量子性質(zhì)是非常有用的，這種電子攜帶著有關(guān)它如何對(duì)外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)做出反應(yīng)的信息。讓我具體驗(yàn)證一下吧！

電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的電子

電子最簡(jiǎn)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(chǎng)中的加速度。一個(gè)帶負(fù)電荷“電球”也會(huì)出現(xiàn)類似的反應(yīng)，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(chǎng)中的反應(yīng)。在這一方面，電子行為就像一個(gè)微小的條形磁鐵，試圖使自己沿著磁場(chǎng)的方向運(yùn)行。這將有助于我們理解為什么物理學(xué)家對(duì)盡可能精確地測(cè)量量子特性感興趣。

描述電子外形的量子屬性是什么？最簡(jiǎn)單的屬性，也是對(duì)物理學(xué)家最實(shí)用的就是電偶極矩（EDM）。

在傳統(tǒng)物理學(xué)中，電偶極矩是電荷空間分離情況下產(chǎn)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(gè)啞鈴，它的重量是相反電荷，一側(cè)是負(fù)電荷，一側(cè)是正電荷。在宏觀世界中，這個(gè)啞鈴會(huì)有一個(gè)非零電偶極矩，如果一個(gè)物體的形狀反映了它的電荷分布，這將意味著這個(gè)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，并非傳統(tǒng)物理學(xué)中的“啞鈴”。量子世界中，電子周圍的真空并非是空的和靜止的，相反，它是由各種各樣的亞原子粒子構(gòu)成，這些粒子在短時(shí)間內(nèi)迅速進(jìn)入虛擬世界。

這些虛擬粒子在電子周圍形成“云”，如果我們將光線照射在電子上，一些光線會(huì)在云中的虛擬粒子上發(fā)生反射，而不是電子本身。

這將改變電荷和磁場(chǎng)、電場(chǎng)電偶極矩的數(shù)值，對(duì)這些量子特性進(jìn)行非常精確的測(cè)量可以揭示難以捉摸的虛擬粒子在電子相互作用時(shí)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(fā)現(xiàn)的未知新粒子。為了觀察它們對(duì)電子電偶極矩的影響，我們需要將測(cè)量結(jié)果與目前公認(rèn)的宇宙理論（標(biāo)準(zhǔn)模型）中的理論預(yù)測(cè)電偶極矩大小進(jìn)行對(duì)比分析。

迄今為止，標(biāo)準(zhǔn)模型精確地描述了所有實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量數(shù)值。然而，它卻無(wú)法解決許多最基本的問(wèn)題，例如：為什么物質(zhì)在整個(gè)宇宙中占主導(dǎo)地位。標(biāo)準(zhǔn)模型也對(duì)電子的電偶極矩進(jìn)行了預(yù)測(cè)：電子要求電偶極矩非常小，然而如果ACME實(shí)驗(yàn)實(shí)際檢測(cè)到電子的電偶極矩的非零值，會(huì)發(fā)生什么情況呢？

修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型中的漏洞

理論模型的提出彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的不足，預(yù)測(cè)了新的重粒子的存在。這些模型可能會(huì)填補(bǔ)我們對(duì)宇宙理解的空白。為了驗(yàn)證這些模型，我們需要證實(shí)這些新的重粒子的存在。這可以通過(guò)大型實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如：在國(guó)際大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上通過(guò)直接高能量碰撞形成新粒子而實(shí)現(xiàn)。

或者，我們可以看到這些新粒子如何改變“云”中電荷分布以及電子電偶極矩效應(yīng)。因此，在ACME實(shí)驗(yàn)中對(duì)電偶極矩的清晰觀察將證明實(shí)際存在的新粒子，這就是該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。

這就是為什么近期《自然》雜志上一篇關(guān)于電子的文章引起了科學(xué)家的關(guān)注，科學(xué)家利用電子電偶極矩的測(cè)量結(jié)果以及其它基本粒子性質(zhì)的測(cè)量結(jié)果，來(lái)幫助識(shí)別新粒子，并預(yù)測(cè)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(dāng)前對(duì)宇宙的理解認(rèn)識(shí)中所充當(dāng)?shù)慕巧��?/p>

如何測(cè)量電偶極矩呢？我們需要找到一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)的來(lái)源測(cè)試一個(gè)電子的反應(yīng)。這種強(qiáng)電場(chǎng)的一個(gè)可能來(lái)源可以在一氧化釷這樣的分子中找到。這是ACME實(shí)驗(yàn)中使用的分子，對(duì)這些分子發(fā)射調(diào)諧激光，可以獲得電子的電偶極矩讀數(shù)，但是前提是電偶極矩?cái)?shù)值不是太小。

然而，事實(shí)證明確實(shí)如此，參與ACME實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家并未觀察到電子的電偶極矩——表明電偶極矩?cái)?shù)值太小，他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備也無(wú)法檢測(cè)到。這一事實(shí)對(duì)于我們理解未來(lái)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有重要意義。

作者：葉傾城 來(lái)源：新浪科技