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见微知著——揭开电子的神秘面纱

2022-11-25 21:31:25 975

摘要:如果你从我们已知的宇宙中取一小块物质,把它分解成越来越小的成分,那么最终剩下的物质将再也不能分割。地球上的一切都是由原子组成的,原子又可以进一步分为质子、中子和电子。虽然质子和中子仍可以进一步分裂,但电子却不能。它们是最早被发现的基本粒子。...

如果你从我们已知的宇宙中取一小块物质,把它分解成越来越小的成分,那么最终剩下的物质将再也不能分割。地球上的一切都是由原子组成的,原子又可以进一步分为质子、中子和电子。虽然质子和中子仍可以进一步分裂,但电子却不能。它们是最早被发现的基本粒子。100多年以后,我们仍不知道该如何将电子分裂。但电子究竟是什么呢?这就是Patreon的运营商John Duffield想知道的事情,他问道:请您描述一下电子,解释一下它是什么,以及为什么它在和正电子相互作用的时候会如此运动。如您愿意,请讲解一下它在电场、磁场和引力场中的运动方式,或者请您讲解一下电荷及电子为什么有质量。鄙人将不胜欣喜。

这是我们在最深层次上所知道的周围最常见的基本粒子之一。

图解 :氢原子,物质最重要的组成部分之一,存在于具有特定磁量子数的激发态。尽管它的属性已被明确定义,但对于某些问题,比如“在这个原子中,电子在哪个位置”,仍然只有概率形式的答案。(维基共享用户Bernd Thaller)

为了理解电子,你必须首先理解粒子的含义。在量子宇宙中,一切物质都同时即是粒子也是波,其中许多确切的属性现在我们还不能完全知道。你越是试图确定一个粒子的位置,你就越会破坏它的动量信息,反之亦然。如果粒子是不稳定的,它的寿命会影响你对它的质量或内能的了解程度。如果这个粒子有一个本征自旋,在一个方向上测量它的自旋时,另一个方向上电子如何自旋的所有信息就会被破坏,你就无法探知这些信息了。

图解:电子和所有自旋为-1/2的费米子一样(在一组由全同粒子组成的体系中,如果在体系的一个量子态(即由一套量子数所确定的微观状态)上只容许容纳一个粒子,这种粒子称为费米子。或者说自旋为半整数(1/2,3/2…)的粒子统称为费米子,服从费米-狄拉克统计),在置于磁场中时有两种可能的自旋方向。进行这样的实验会在一个维度上确定它们的自旋方向,但结果会破坏它们在另两个维度中的自旋方向的信息。这是量子力学固有的令人沮丧的特性。(CK-12基金会/维基共享)

如果你在一个特定的时刻测量它,即使完全掌握控制它的定律,也无法准确获悉有关它未来特性的信息。在量子宇宙中,许多物理属性都有一个基本的、固有的不确定性。

但并非所有情况都是如此。统治宇宙的量子规则比那些违反直觉的部分要复杂得多,比如海森堡的测不准原理。

图解:这里有个关于量子层次上位置和动量之间具有内在不确定性的例证。同时测量这两个量的能力有限,而这种不确定性往往出现在人们最不期望它出现的地方。(E. Siegel / 维基共享用户Mas Chen)

宇宙是由量子构成的,量子是现实的组成部分,它不能再进一步分裂成更小的成分。这些构成我们现实的最小基本组件,其最成功的模型被创造性的命名为标准模型。

在标准模型中,量子粒子有两类:物质宇宙中构成物质和反物质的粒子,以及负责控制相互作用力的粒子。前一类粒子称为费米子,后一类粒子称为玻色子。

图解:标准模型的粒子,右上角是质量(以MeV为单位(兆电子伏,既是一个能量单位,又是一个质量单位。从能量的角度来看,是电场中使电子的电势升高1伏特的外力所做的功的一百万倍。电子电量(1.6E-19库伦)×1V=1.6E-19焦耳,所以1meV=1.6E-13J(焦耳);从质量的角度来看,1meV=1.6E-13J(焦耳)对应的物质质量为1.6E-13J/(3E8m/s)^2=1.778E-30kg))。费米子构成最左边的三列,且具有半整数自旋;玻色子构成了右边的两列并具有整数自旋。虽然所有粒子都有对应的反粒子,但只有费米子可以是物质或反物质。(维基共享用户MissMJ, PBS NOVA,费米实验室,美国能源部科学办公室,粒子数据组)

尽管在量子世界中,许多属性都有其内在不确定性,但有些属性我们能够确切地知道。我们称这些为量子数,它们不仅在单个粒子中是守恒量,而且在整个宇宙中也是守恒量。这些属性包括:电荷、色荷、磁荷、角动量、重子数、轻子数和轻子族数。就我们所知,这些性质都是守恒的。

图解:标准模型中的夸克、反夸克和胶子除了具有其他粒子和反粒子所具有的质量和电荷等属性外,还具有色荷。只能说,所有这些粒子,目前看来都是不可再分的,按照特性可以把它们分为三代。在更高的能量下,可能还存在其他类型的粒子,但它们已经超出了标准模型的描述。(E. Siegel /《Beyoud The Galaxy银河系之外》)

此外,在强相互作用和电磁相互作用中还有一些其他属性是守恒的,但是弱相互作用会破坏它们的守恒。这些属性包括:弱超电荷、弱同位旋和夸克的味量子数(如奇异夸克、桀夸克、底夸克、顶夸克 )。

每一个存在的量子粒子都具有允许的量子数的特定值。其中一些属性永远不会改变,例如电荷,因为一个电子始终带有-1的电荷,一个上夸克始终带有+⅔的电荷。但其他属性,例如角动量,可以有各种各样的取值,比方说,电子的角动量可以是可以+½或-½,玻色子的角动量可以是-1、0、+ 1。

图解:所有已知基本粒子的弱同位旋、T3、弱超电荷、Y_W和色荷的模式,大致沿垂直方向通过弱混合角( weak mixing angle,也称为温伯格角,是在温伯格-萨拉姆的理论电弱相互作用的一个参数,是粒子物理学标准模型的一部分,通常表示为θw)旋转,来显示电荷Q。中性希格斯场(灰色正方形部分)打破了弱电对称性,并与其他粒子相互作用,使其具有质量。(维基共享,CJEAN42)

组成物质的粒子被称为费米子,它们都有反物质的对应物:反费米子。玻色子负责粒子之间的作用力和相互作用,它们既不是物质也不是反物质,但却可以与物质和反物质发生相互作用,并且也可以与它们自身发生相互作用。

我们通过观测费米子和反费米子之间、费米子与费米子之间、反费米子与反费米子之间的玻色子交换,来观察这些相互作用。你可以让一个费米子和一个玻色子相互作用产生另一个费米子;还可以让一个费米子和一个反费米子相互作用产生一个玻色子;也可以让一个反费米子和一个玻色子相互作用产生另一个反费米子。

只要你使所有需要守恒的总量子数守恒,并且遵守标准模型的粒子和相互作用所阐述的规则,任何没被禁止的事情都将以某种有限概率不可避免地发生。

图解:ESA(欧洲航天局)的Integral号卫星,对低能量下正电子或电子湮灭的特征信号——511 keV光子线——进行了全面的测量。(欧洲航天局Integral天文台;J. Knodlseder (CESR)和SPI团队)

重要的是,在我们列举电子的所有属性之前,要注意这仅仅是我们现今对宇宙构成基本层面的最佳理解。我们不知道是否有一个更基本的描述;我们不知道标准模型是否有一天会被一个更完整的理论取代;我们不知道是否有额外的量子数,以及它们何时可能(或可能不)守恒;我们不知道如何将重力纳入标准模型。

虽然不言而喻,但仍需要在这里明确指出:这些属性提供了我们现今所知的电子的最佳描述。在未来,它们可能会变成一个不完整的描述,或者仅仅是对电子(或构成我们现实的更基本实体)究竟为何的近似描述。

图解:上图展示了标准模型的结构。该图形用一种更为完整、更不容易产生误导的方式展示了关键关系和模式,而非基于较为熟知的4x4 粒子方块想象图。特别是,这张图描述了标准模型中的所有粒子(包括它们的字母名称、质量、自旋、旋向性、电荷以及与规范玻色子的相互作用,即具有强作用力和电弱力)。(维基共享,Latham Boyle 和Mardus)

也就是说,电子是:费米子(不是反费米子);电荷为-1(单位为基本电荷);零磁荷;零色荷;基本内在角动量 (或自旋) 为½,这表示它可以取值为+½或-½;重子数为0;轻子数为+1;轻子族数在电子为+1,在μ介子族中为 0, 在τ介子族中为0;弱同位旋为-½;带一个-1的弱超电荷。

这些就是电子的量子数。它耦合了弱相互作用(W和Z玻色子)和电磁相互作用(光子),以及希格斯玻色子(拥有一个非零静止质量)。它不与强作用力耦合,因此不能与胶子相互作用。

图解:如图所示,伦敦大学学院(University College London)的正电子束流实验,将电子和正电子结合起来,创造出一种被称为电子偶素的准原子,该准原子衰变的平均寿命约为1微秒。衰变产物通过标准模型可以准确地预测出来,通常进入2或3个光子,这取决于电子和构成电子偶素的正电子的相对自旋。 (UCL)

如果一个电子和一个正电子(有一些相同的量子数和一些相反的量子数)相互作用,它们通过电磁或弱作用力相互作用的概率是有限的。

由于电子和正电子的电荷相反,它们相互吸引的可能性将主导大多数相互作用。它们可形成一种不稳定的原子状实体,称为电子偶素,其结合在一起的方式与质子和电子的结合方式类似,只不过电子和正电子的质量是相同的。

然而,由于电子是物质而正电子是反物质,电子和正电子也可以湮灭。这取决于许多因素,比如其相对自旋。它们衰变的方式是有限的:它们可能衰变成2个、3个、4个、5个或者更多的光子(但最常见的是2个或3个)。

图解:宇宙中其他基本粒子的质量决定了它们在何时、在何种条件下可以被创造出来,也描述了在广义相对论中如何弯曲时空。粒子、场和时空的属性都是描述我们栖居的宇宙所必需的。(图15-04A引自UNIVERSE-REVIEW.CA)

当你把一个电子置于电场或磁场中时,光子与它相互作用,改变了它的动量。简单来说就是,它们会产生一个加速度。由于电子与希格斯玻色子的相互作用,使得它也有一个与其相关的静止质量,所以它也会在引力场中加速。但是,标准模型却不能解释这一点,我们所知道的任何量子理论也不能解释这一点。

在有量子引力理论之前,我们必须把电子的质量和能量置于广义相对论这一非量子引力理论中。这足以为我们设计的每一个实验提供正确答案,但它会在某些基本层面上失效。例如,如果你问到单个电子穿过双缝时引力场会发生什么变化,广义相对论就没有答案。

图解:电子一次一个通过双缝,就会产生波动图形。但你要测量电子通过的“哪条缝”,你就破坏了此前的显示的量子干涉图样。标准模型和广义相对论的规则没有告诉我们电子穿过双缝时引力场发生了什么,这就需要某些超出我们目前所能理解的理论来解释,比如量子引力。(维基共享,Dr.Tonomura 和Belsazar)

电子是我们宇宙中不可思议的重要组成部分,在我们可观测宇宙中大约有〖10〗^80个电子。它们是组成原子的必需之物,原子构成了分子、人类、行星等等等等。在我们的世界中,从磁铁到电脑,再到可触摸到的一切宏观物体,都是由它们组成的。

但它们之所以具有这些属性,还是因为支配宇宙的基本量子规则。标准模型是我们现今对这些规则最好的描述,它也是电子与粒子可以相互作用和不能相互作用的最好描述

电子为什么具有这些超出标准模型范围的特殊属性呢?我们知道,人类现今只能描述宇宙是如何运作的。为什么它会这样运作,仍然是一个悬而未决的问题,至今都没有令人满意的答案。我们所能做的就是继续调查,并努力找寻一个更根本的答案。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Berry- Ethan Siegel

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