电子长什么样？课本中描述与事实相差甚远

据国外媒体报道，电子的外部结构是什么？如果你回顾高中课本，答案似乎很清楚:电子是一个带负电荷的小球，比原子还小。但这远非事实。

电子通常被认为是构成世界的原子中最重要的组成部分之一。每个原子核都被电子包围，电子决定化学反应如何进行。电子广泛应用于工业领域:焊接、电子成像和先进的粒子加速器。目前，“高级冷分子电子偶极矩(ACME)”的物理实验将电子置于科学探索的中心阶段。ACME实验将试图揭示一个看似简单的问题:电子的形状是什么？

传统形状和量子形状？

据物理学家所知，电子没有内部结构，所以电子没有传统意义上的外部结构。粒子物理学的现代语言研究比原子核小的物体的行为。物质的基本模块是一种叫做“量子场”的连续流体物质。知道了这一点，如果我们不能在显微镜或其他光学设备上直接看到电子形状，那么讨论它的形状有什么意义呢？

为了解决这个问题，我们必须调整我们对形状和结构的定义，以便它可以应用在非常小的距离，或者换句话说，在量子物理领域。当我们在宏观世界中看到不同的形状时，这实际上意味着我们的眼睛被用来检测光在我们周围不同物体上的反射。

简而言之，我们通过观察物体受到光照射时的反应来定义物体的外部结构。尽管这可能是一种关于物理结构的奇怪的思考方式，但在量子粒子的亚原子世界中却非常有用。它为我们提供了一种定义电子属性的方法，这样它们就可以模拟我们在传统世界中描述物体形状和结构的方式。

什么取代了微观世界中的形状概念？光只是振荡电场和磁场的组合，因此定义电子的量子特性是非常有用的，电子携带着关于它们对外加电场和磁场如何反应的信息。让我详细核实一下。

电场和磁场中的电子

电子最简单的属性是它的电荷，它描述了外力和电子在外部电场中的加速度。带负电的“电球”也会有类似的反应。在初中物理教科书中，电子被描述为“电子球”。电子的电荷性质仍然存在于量子世界中。

同样，电子的另一个“存在属性”叫做磁偶极矩，它揭示了电子在磁场中的反应。在这方面，电子行为就像一个微小的条形磁铁，试图使自己朝着磁场的方向运行。这将帮助我们理解为什么物理学家对尽可能精确地测量量子性感感兴趣。

描述电子形状的量子属性是什么？对物理学家来说，最简单和最实用的属性是电偶极矩。

在传统物理学中，电偶极矩是在电荷空间分离的条件下产生的。带电球体没有电荷分离，电偶极矩为零。你可以把电偶极矩想象成一个哑铃。它的重量是相反的电荷，一边带负电荷，另一边带正电荷。在宏观世界中，这个哑铃会有一个非零的电偶极矩。如果一个物体的形状反映了它的电荷分布，这就意味着该物体的形状必须不同于球体的形状。因此，电偶极矩在宏观上可以看作哑铃。

量子世界中的电偶极矩

然而，电偶极矩的解释在量子世界中是完全不同的，而不是传统物理学中的“哑铃”。在量子世界中，电子周围的真空不是空的和静态的，相反，它是由各种亚原子粒子组成的，它们在短时间内迅速进入虚拟世界。

这些虚拟粒子在电子周围形成“云”。如果我们把光照射到电子上，一些光会被云中的虚拟粒子反射，而不是电子本身。

这将改变电荷、磁场和电场的电偶极矩值。对这些量子性质的非常精确的测量可以揭示难以捉摸的虚拟粒子与电子相互作用时的行为，以及它们是否改变了电子的电偶极矩。

最有趣的是，这些虚拟粒子中可能有我们尚未发现的未知新粒子。为了观察它们对电子电偶极矩的影响，我们需要将测量结果与目前公认的宇宙理论(标准模型)中电偶极矩的理论预测进行比较和分析。

到目前为止，标准模型已经准确地描述了所有实验室的测量值。然而，它不能解决许多基本问题，比如为什么物质主宰整个宇宙。标准模型还预测了电子的电偶极矩:电子需要非常小的电偶极矩，但是如果ACME实验实际上检测到电子的电偶极矩的非零值会发生什么？

标准模型中的补丁漏洞

理论模型弥补了标准模型的不足，预测了新的重粒子的存在。这些模型可能会填补我们对宇宙理解的空白。为了验证这些模型，我们需要确认这些新的重粒子的存在。这可以通过大规模实验来实现，例如在国际大型强子对撞机(LHC)上通过直接高能碰撞形成新粒子。

或者，我们可以看到这些新粒子如何改变“云”中的电荷分布和电子偶极矩效应。因此，在ACME实验中对电偶极矩的清晰观察将证明新粒子的存在，这是实验的目标。

这就是为什么最近一篇关于自然中电子的文章吸引了科学家的注意。科学家利用电子偶极矩和其他基本粒子特性的测量结果来帮助识别新粒子，并预测如何更好地研究它们。这样做是为了阐明这些粒子在我们目前对宇宙的理解中扮演的角色。

如何测量电偶极矩？我们需要找到一个强电场的来源来测试电子的反应。这种强电场的一个可能来源是一氧化钍等分子。这是ACME实验中使用的分子。通过向这些分子发射调谐激光可以获得电子偶极矩读数，但前提是电子偶极矩的值不能太小。

然而，事实证明事实确实如此。参加ACME实验的物理学家还没有观察到电子的电偶极矩——这表明电偶极矩的值太小，他们的实验设备无法检测到。这一事实对我们理解未来大型强子对撞机实验的结果具有重要意义。