電子是什么形狀？

詩元駒

電子是構(gòu)成我們周圍世界的原子的主要成分之一。正是圍繞每個(gè)原子核的電子決定了化學(xué)反應(yīng)是如何進(jìn)行的。而在實(shí)際應(yīng)用中，從電子設(shè)備、焊接，再到顯微成像、粒子加速器等，電子在各個(gè)領(lǐng)域中都有著非常廣泛的應(yīng)用。

最近，一個(gè)由美國多所大學(xué)合作進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)，名稱為“高級(jí)冷分子電子電偶極矩”（簡稱為ACME），其實(shí)驗(yàn)設(shè)備只有桌子大小，再次把小小的電子置于科學(xué)研究的最前沿，并試圖通過檢測電子的“形狀”來尋找新的粒子。

電子真的是有形狀的？這跟新的粒子有什么關(guān)系？下面我們就來探討一下。

經(jīng)典的形狀和量子的形狀

電子是什么形狀的？如果你回憶起高中教科書中的圖片，答案似乎很清楚：電子是一個(gè)比原子小的帶負(fù)電荷的小球。然而，這與事實(shí)相差甚遠(yuǎn)。

基本粒子，沒有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，因此“形狀”這個(gè)詞語對(duì)于電子來說沒有意義。要想讓“形狀”對(duì)電子來說有意義，我們必須調(diào)整對(duì)“形狀”的定義，以便它可以在量子世界里使用。

在我們的宏觀世界中，看到各種各樣的形狀，實(shí)際上意味著我們用眼睛探測到了來自周圍物體反射回來的光線，而光線只不過是一種電磁波，換句話說，形狀其實(shí)是物體在電磁場的作用下的一種反應(yīng)。我們可以把“形狀”這個(gè)概念擴(kuò)大化，把能描述在任何電磁場下反應(yīng)的屬性，都看成“形狀”。

盡管這可能是一種很奇怪的描述“形狀”的方式，但因?yàn)殛P(guān)于電子的許多屬性，包括電荷、自旋等，都能描述它在電磁場的作用下會(huì)發(fā)生何種反應(yīng)。也許，我們可以把其中的某個(gè)屬性當(dāng)作電子的“形狀”。那么，哪種屬性最適合當(dāng)作電子的“形狀”呢？物理學(xué)家選擇的屬性是電偶極矩。

電子的電偶極矩

在經(jīng)典物理學(xué)中，電偶極矩是一種衡量一個(gè)系統(tǒng)中正電荷與負(fù)電荷分布情況的物理量。如果正電荷分布與負(fù)電荷分布出現(xiàn)分離，那么電偶極矩就不再為零。例如，一個(gè)均勻帶電的球體沒有正負(fù)電荷分離，其電偶極矩為零。但是想象一個(gè)啞鈴，它的一邊帶正電，另一邊帶負(fù)電，那么這個(gè)啞鈴有一個(gè)非零的電偶極矩。除了電荷以外，電偶極矩的多少也決定了這個(gè)系統(tǒng)如何響應(yīng)外加電場。

對(duì)于宏觀物體來說，正負(fù)電荷的分布通常與物體的形狀存在一定的聯(lián)系。對(duì)于電子來說，它沒有真正意義上的形狀，但為了理解它的電偶極矩，物理學(xué)家通常設(shè)想它有某種形狀。比如，如果電子的電偶極矩為零，我們就把它看作均勻帶電的球體;如果電偶極矩有一定的值，那么電子就如同一個(gè)啞鈴，數(shù)值越大，“啞鈴”的柄越長。所以，物理學(xué)家就干脆把電偶極矩當(dāng)作衡量電子“形狀”的物理量。

電子周圍的“云霧”

想要檢測電子的電偶極矩也很簡單，只需檢測電子在外加電場的行為即可。然而，檢測微觀粒子的電偶極矩并不是那么簡單的事情。因?yàn)樵诹孔邮澜缰?，真空不是真正的空無一物。相反，它里面含有無數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的虛粒子。

這些虛粒子，一些可能會(huì)攜帶電荷，也有著自己的電偶極矩。這樣，在電子周圍一定范圍內(nèi)的虛粒子就像一團(tuán)“云”一樣，會(huì)影響到電子電偶極矩的檢測數(shù)值。

當(dāng)前描述微觀粒子最好的物理理論，即標(biāo)準(zhǔn)模型，考慮了所有可能出現(xiàn)在真空的虛粒子，對(duì)我們電子的電偶極矩做出了預(yù)測：電子的電偶極矩非常小，以至于當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)設(shè)施沒有機(jī)會(huì)測量到它。但是，如果ACME真的檢測到電子的電偶極矩，這意味著什么呢？

這意味著電子電偶極矩的檢測值被放大了。那么是什么因素把電子電偶極矩的檢測值放大了呢？科學(xué)家猜想，可能是電子周圍的“云”中，有著某些標(biāo)準(zhǔn)模型沒有預(yù)言出的未知粒子，正是這些未知粒子提高了電子電偶極矩的檢測值。而通過檢測電子的電偶極矩來尋找未知粒子，就是ACME實(shí)驗(yàn)的真正目標(biāo)。

尋找未知的粒子

在粒子物理學(xué)中，還存在許多待解決的問題，比如暗物質(zhì)是由什么粒子構(gòu)成的，整個(gè)宇宙為什么是粒子而不是反粒子占主導(dǎo)地位，等等。這些問題，標(biāo)準(zhǔn)模型都無法回答。對(duì)此，物理學(xué)家提出了很多個(gè)新的理論，這些新的理論還預(yù)言了許多新的粒子。為了驗(yàn)證這些新理論，我們需要檢驗(yàn)這些新預(yù)言的粒子是否真的存在。這可以通過大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，例如可以嘗試使用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)讓質(zhì)子以極高的速度發(fā)生碰撞，來產(chǎn)生這些新的粒子。

現(xiàn)在我們又多了一種方法：即我們可以去檢測電子周圍的“云”以及它們對(duì)電子電偶極矩的影響來找到新粒子。在ACME實(shí)驗(yàn)中，對(duì)電子的電偶極矩進(jìn)行精確的測量，如果檢測到電偶極矩，那么這將證明有新的未知粒子的存在，物理學(xué)家還可以推出這種未知粒子的一些屬性。

如何測量電子的電偶極矩？我們需要找到一個(gè)非常強(qiáng)的電場來測試一個(gè)電子的反應(yīng)。這種電場可以在諸如一氧化釷的分子內(nèi)找到。一氧化釷分子中兩個(gè)原子之間形成的共價(jià)鍵很強(qiáng)，產(chǎn)生的電場是已知的最強(qiáng)分子內(nèi)的電場。一氧化釷就是ACME在實(shí)驗(yàn)中使用的分子，物理學(xué)家只需通過檢測處于一氧化釷分子內(nèi)的電子的反應(yīng)，來推算電子的電偶極矩。

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是，ACME的物理學(xué)家沒有檢測到電子的電偶極矩，這表明它的值太小，目前的實(shí)驗(yàn)儀器無法檢測到。盡管如此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍具有重要的意義。沒有檢測到電子的電偶極矩，這直接排除了許多理論中預(yù)言的粒子，物理學(xué)家可以根據(jù)這個(gè)完善當(dāng)前的理論或提出新的理論。此外，這個(gè)結(jié)果還能指導(dǎo)我們?nèi)绾卫么笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)搜尋新的粒子。