电子是什么形状？

诗元驹

电子是构成我们周围世界的原子的主要成分之一。正是围绕每个原子核的电子决定了化学反应是如何进行的。而在实际应用中，从电子设备、焊接，再到显微成像、粒子加速器等，电子在各个领域中都有着非常广泛的应用。

最近，一个由美国多所大学合作进行的物理实验，名称为“高级冷分子电子电偶极矩”（简称为ACME），其实验设备只有桌子大小，再次把小小的电子置于科学研究的最前沿，并试图通过检测电子的“形状”来寻找新的粒子。

电子真的是有形状的？这跟新的粒子有什么关系？下面我们就来探讨一下。

经典的形状和量子的形状

电子是什么形状的？如果你回忆起高中教科书中的图片，答案似乎很清楚：电子是一个比原子小的带负电荷的小球。然而，这与事实相差甚远。

基本粒子，没有任何内部结构的，因此“形状”这个词语对于电子来说没有意义。要想让“形状”对电子来说有意义，我们必须调整对“形状”的定义，以便它可以在量子世界里使用。

在我们的宏观世界中，看到各种各样的形状，实际上意味着我们用眼睛探测到了来自周围物体反射回来的光线，而光线只不过是一种电磁波，换句话说，形状其实是物体在电磁场的作用下的一种反应。我们可以把“形状”这个概念扩大化，把能描述在任何电磁场下反应的属性，都看成“形状”。

尽管这可能是一种很奇怪的描述“形状”的方式，但因为关于电子的许多属性，包括电荷、自旋等，都能描述它在电磁场的作用下会发生何种反应。也许，我们可以把其中的某个属性当作电子的“形状”。那么，哪种属性最适合当作电子的“形状”呢？物理学家选择的属性是电偶极矩。

电子的电偶极矩

在经典物理学中，电偶极矩是一种衡量一个系统中正电荷与负电荷分布情况的物理量。如果正电荷分布与负电荷分布出现分离，那么电偶极矩就不再为零。例如，一个均匀带电的球体没有正负电荷分离，其电偶极矩为零。但是想象一个哑铃，它的一边带正电，另一边带负电，那么这个哑铃有一个非零的电偶极矩。除了电荷以外，电偶极矩的多少也决定了这个系统如何响应外加电场。

对于宏观物体来说，正负电荷的分布通常与物体的形状存在一定的联系。对于电子来说，它没有真正意义上的形状，但为了理解它的电偶极矩，物理学家通常设想它有某种形状。比如，如果电子的电偶极矩为零，我们就把它看作均匀带电的球体;如果电偶极矩有一定的值，那么电子就如同一个哑铃，数值越大，“哑铃”的柄越长。所以，物理学家就干脆把电偶极矩当作衡量电子“形状”的物理量。

电子周围的“云雾”

想要检测电子的电偶极矩也很简单，只需检测电子在外加电场的行为即可。然而，检测微观粒子的电偶极矩并不是那么简单的事情。因为在量子世界中，真空不是真正的空无一物。相反，它里面含有无数个转瞬即逝的虚粒子。

这些虚粒子，一些可能会携带电荷，也有着自己的电偶极矩。这样，在电子周围一定范围内的虚粒子就像一团“云”一样，会影响到电子电偶极矩的检测数值。

当前描述微观粒子最好的物理理论，即标准模型，考虑了所有可能出现在真空的虚粒子，对我们电子的电偶极矩做出了预测：电子的电偶极矩非常小，以至于当前的实验设施没有机会测量到它。但是，如果ACME真的检测到电子的电偶极矩，这意味着什么呢？

这意味着电子电偶极矩的检测值被放大了。那么是什么因素把电子电偶极矩的检测值放大了呢？科学家猜想，可能是电子周围的“云”中，有着某些标准模型没有预言出的未知粒子，正是这些未知粒子提高了电子电偶极矩的检测值。而通过检测电子的电偶极矩来寻找未知粒子，就是ACME实验的真正目标。

寻找未知的粒子

在粒子物理学中，还存在许多待解决的问题，比如暗物质是由什么粒子构成的，整个宇宙为什么是粒子而不是反粒子占主导地位，等等。这些问题，标准模型都无法回答。对此，物理学家提出了很多个新的理论，这些新的理论还预言了许多新的粒子。为了验证这些新理论，我们需要检验这些新预言的粒子是否真的存在。这可以通过大型实验设备来实现，例如可以尝试使用大型强子对撞机让质子以极高的速度发生碰撞，来产生这些新的粒子。

现在我们又多了一种方法：即我们可以去检测电子周围的“云”以及它们对电子电偶极矩的影响来找到新粒子。在ACME实验中，对电子的电偶极矩进行精确的测量，如果检测到电偶极矩，那么这将证明有新的未知粒子的存在，物理学家还可以推出这种未知粒子的一些属性。

如何测量电子的电偶极矩？我们需要找到一个非常强的电场来测试一个电子的反应。这种电场可以在诸如一氧化钍的分子内找到。一氧化钍分子中两个原子之间形成的共价键很强，产生的电场是已知的最强分子内的电场。一氧化钍就是ACME在实验中使用的分子，物理学家只需通过检测处于一氧化钍分子内的电子的反应，来推算电子的电偶极矩。

然而，实验结果却是，ACME的物理学家没有检测到电子的电偶极矩，这表明它的值太小，目前的實验仪器无法检测到。尽管如此，实验结果仍具有重要的意义。没有检测到电子的电偶极矩，这直接排除了许多理论中预言的粒子，物理学家可以根据这个完善当前的理论或提出新的理论。此外，这个结果还能指导我们如何利用大型强子对撞机搜寻新的粒子。