電子是什么形狀？

詩元駒

電子是構成我們周圍世界的原子的主要成分之一。正是圍繞每個原子核的電子決定了化學反應是如何進行的。而在實際應用中，從電子設備、焊接，再到顯微成像、粒子加速器等，電子在各個領域中都有著非常廣泛的應用。

最近，一個由美國多所大學合作進行的物理實驗，名稱為“高級冷分子電子電偶極矩”（簡稱為ACME），其實驗設備只有桌子大小，再次把小小的電子置于科學研究的最前沿，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系？下面我們就來探討一下。

經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：電子是一個比原子小的帶負電荷的小球。然而，這與事實相差甚遠。

基本粒子，沒有任何內部結構的，因此“形狀”這個詞語對于電子來說沒有意義。要想讓“形狀”對電子來說有意義，我們必須調整對“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，形狀其實是物體在電磁場的作用下的一種反應。我們可以把“形狀”這個概念擴大化，把能描述在任何電磁場下反應的屬性，都看成“形狀”。

盡管這可能是一種很奇怪的描述“形狀”的方式，但因為關于電子的許多屬性，包括電荷、自旋等，都能描述它在電磁場的作用下會發生何種反應。也許，我們可以把其中的某個屬性當作電子的“形狀”。那么，哪種屬性最適合當作電子的“形狀”呢？物理學家選擇的屬性是電偶極矩。

電子的電偶極矩

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

對于宏觀物體來說，正負電荷的分布通常與物體的形狀存在一定的聯系。對于電子來說，它沒有真正意義上的形狀，但為了理解它的電偶極矩，物理學家通常設想它有某種形狀。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啞鈴，數值越大，“啞鈴”的柄越長。所以，物理學家就干脆把電偶極矩當作衡量電子“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。因為在量子世界中，真空不是真正的空無一物。相反，它里面含有無數個轉瞬即逝的虛粒子。

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

當前描述微觀粒子最好的物理理論，即標準模型，考慮了所有可能出現在真空的虛粒子，對我們電子的電偶極矩做出了預測：電子的電偶極矩非常小，以至于當前的實驗設施沒有機會測量到它。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？科學家猜想，可能是電子周圍的“云”中，有著某些標準模型沒有預言出的未知粒子，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實驗的真正目標。

尋找未知的粒子

在粒子物理學中，還存在許多待解決的問題，比如暗物質是由什么粒子構成的，整個宇宙為什么是粒子而不是反粒子占主導地位，等等。這些問題，標準模型都無法回答。對此，物理學家提出了很多個新的理論，這些新的理論還預言了許多新的粒子。為了驗證這些新理論，我們需要檢驗這些新預言的粒子是否真的存在。這可以通過大型實驗設備來實現，例如可以嘗試使用大型強子對撞機讓質子以極高的速度發生碰撞，來產生這些新的粒子。

現在我們又多了一種方法：即我們可以去檢測電子周圍的“云”以及它們對電子電偶極矩的影響來找到新粒子。在ACME實驗中，對電子的電偶極矩進行精確的測量，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？我們需要找到一個非常強的電場來測試一個電子的反應。這種電場可以在諸如一氧化釷的分子內找到。一氧化釷分子中兩個原子之間形成的共價鍵很強，產生的電場是已知的最強分子內的電場。一氧化釷就是ACME在實驗中使用的分子，物理學家只需通過檢測處于一氧化釷分子內的電子的反應，來推算電子的電偶極矩。

然而，實驗結果卻是，ACME的物理學家沒有檢測到電子的電偶極矩，這表明它的值太小，目前的實驗儀器無法檢測到。盡管如此，實驗結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言的粒子，物理學家可以根據這個完善當前的理論或提出新的理論。此外，這個結果還能指導我們如何利用大型強子對撞機搜尋新的粒子。