电子的本质

2019-05-15 作者:编辑整理   |   浏览(135)

电子磁场相关的电子旋磁比(G-factor)一直是20世纪物理学研究的焦点之一。保罗·狄拉克预测,这个数值在理论上等于2。在第二次世界大战之前对于电子旋磁比的测量显示它确实等于2,但是在第二次世界大战之后,物理学家对于电子旋磁比的测量精度大大提高,他们发现这个数值并不是精确地等于2,而是有所偏差。这种极其微小的偏差,是由于在电子周围不断产生又湮灭的虚拟粒子对电子的干扰产生的,把电子周围虚拟粒子的干扰因素考虑在内之后,物理学家们对于电子旋磁比的理论估计与实验测量结果达到了惊人的高度吻合,这说明人类对于电子本质的理解进入了更深的层次。

一个微小的粒子,却逐渐展示出一个复杂的世界,人们开始追问,电子究竟是什么?该怎么样理解电子的本质?是什么样的内部结构使它具有自旋,它为什么具有特定的质量和电荷?又为什么会拥有自己的反粒子?就连预测出正电子存在的保罗·狄拉克也发问:为什么自然选择这样的一种电子,而不仅仅是一个带有负电荷的点?

电子具有波粒二象性随着量子力学的发展而逐渐被人们所接受,但是这还远非电子的本质。在1924年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)提出了电子“自旋”的概念。紧接着,在1928年,英国物理学家保罗·狄拉克发表了狄拉克方程,这个方程可以用来描述相对论性电子的行为,根据这个方程,保罗·狄拉克在1931年预测了“正电子”的概念。很快,在1932年就由美国物理学家卡尔·安德森(Carl Anderson)在研究宇宙射线的过程中发现了电子的反粒子——正电子(Positron)。

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电子的本质

所谓电子的形状,是指在电子的周围存在着众多虚拟粒子,这些虚拟粒子与电子不停地相互作用,不可分割,它们已经成为电子的一部分。强尼·哈德森测量电子的形状和大小,正是指电子与它周围相互作用的虚拟粒子的形状。电子的形状,对于物理学的意义非常重大。根据标准模型的预测,电子应该呈现出完美的圆形,而根据其他一些理论(比如超对称理论)的预测,电子不是完美的圆形,而应该是类似于鸡蛋的形状,这关系到为什么在宇宙中物质远多于反物质。正是出于这个原因,强尼·哈德森的精确测量意义重大,这个结果肯定了标准模型的预测,却使得超对称理论处在悬崖边上。需要注意的是,标准模型并非是一个包罗万象的理论,即使这个理论对于电子形状的预测正确,物理学家仍然需要寻找更加一般性的理论来描述自然。

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一个微小的粒子,展示出的却是一个复杂的世界,电子究竟是什么?

在我曾经学习工作4年多的这个实验室里,每天吃午饭的时候,我都会在实验室餐厅的南面墙上看到一幅油画。油画中的人物面容严肃,稍显刻薄,手中拿着一个玻璃管,望向远方。画中的人物就是实验室的第三任主任约瑟夫·汤姆逊(Joseph Thomson),他作为一个出色的理论和实验物理学家,一生成就卓著,而其中最重要的成就就是在1897年发现了电子——这是人类认识到的第一种亚原子粒子,这个了不起的发现为他带来了1906年的诺贝尔物理奖,也使他成为19世纪和20世纪最伟大的物理学家之一。

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《秋分》

人们怎样认识电子?在大多数人心目中,电子被简化为一个带有负电荷的点,但是,人们对于电子的研究越深刻,就发现它越有可能存在着复杂的结构。在1924年,法国物理学家路易·维克多·德布罗意(Louis Victorde Broglie)受到爱因斯坦的启发,认为微观粒子如电子也可能具有波的性质,这个预测在1927年由乔治·汤姆逊(George Thomson)、克林顿·戴维森(Clinton Davisson)和雷斯特·革末(Lester Germer)分别通过电子衍射实验证明,这个发现也为这三人中的前两位带来了1937年诺贝尔物理奖(约瑟夫·汤姆逊通过证明电子是一种粒子而获得诺贝尔物理奖,21年后他的儿子乔治·汤姆逊通过证明电子是一种波而获得同样奖项)。

电子的发现使人类第一次真正地走进微观世界,并且从此开始,步入现代社会。而在一个世纪之后,这个带有负电荷的极其微小的、年龄和宇宙一样悠久的基本粒子,仍然是一个困扰着物理学家的难题,关于它的本质,关于它对于物理学的未来的影响,仍然难以预测。