電子到底長啥樣子

要說出電子的形狀可不容易,這不僅是因為它實在太小了,還因為電子錶現出了典型的量子特徵。

不過世界人民從來都是不信邪的,要想了解電子的真實形狀,我們有兩條路可以走

一條路就是猜,當然不是瞎JB 猜,而是有理論根據的不過理論依據還存在分歧。

標準模型預言電子是一個完美的球形,完美得不能再完美了,就和我們常見到的原子圖畫中的一樣。

電子到底長啥樣子

原子

但是另一種理論,超對稱理論則不這樣認為,所謂的超對稱理論比較複雜

簡單說來就是,這個理論的基礎是假設存在一種尚未被發現的,能夠感應電子磁場震盪方向的粒子,在電子磁場作用下,這群假想的粒子會在電子四周作不均勻的分佈,導致電子負電分佈發生變化,從而引發了輕微的對稱破缺,可見理論預測自己就存在著嚴重的分歧,不過超對稱理論是被更多人所接受的,那就是電子應該不是一個完美的球形。

但是理論畢竟只是理論,就算有再多的人支持,也還只能是假說,所以要想驗證超對稱理論的正確,就需要有實驗的結果作為支持。

而對於電子的形狀,看來也只有通過實驗,我們才能真正地瞭解到電子的真實形狀,但是實驗並不容易,要想探查如此微小的電子的形狀,需要實驗技術與實驗的裝置的飛躍性進步。

承擔這一任務的,是一項稱為先進冷分子電子電偶極矩研究的跨校研究項目,簡稱ACME

在近幾年隨著實驗條件的不斷進步,到2014 年前後的時候,ACME 的實驗設備精度,達到了與可能超越標準模型的理論預測相匹配的水平,也就是說ACME 項目所能達到的細節水平,已經可以幫助科學家們,對標準模型和超對稱理論的正確性作出評判。

可以說就和第117 號元素的製取一樣,ACME 的這次實驗,同樣是現代實驗技術發揮到極致所取得的突破,那麼具體是怎麼個套路呢,簡單說來要想了解電子形狀。

大致分4 步

第一步利用微波將分子中的電子退激發,也就是把一個氧化釷分子放在微波場中,使它的最外層電子退回到最低能級

第二步把這哥們放入電磁場中,讓它換個造型,變成橫臥的狀態

第三步使用激光對其進行重新激發,一旦被重新激發,電子就會產生一個磁場,這個磁場就像一個豎直旋轉的陀螺,我們知道在旋轉軸與垂直方向上會存在一個夾角。

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而不同的形狀,這一夾角的大小也不同,形狀越圓夾角就越小

所以接下來第四步的任務,就是測出這個夾角的大小,為了測出這個角的大小,電子要被重新退激發,在被退激發後,電子會釋放出一個光子,其有關參數就可以反映出電子磁場的偏轉角度,進而我們就可以知道電子的形狀了

那麼結果究竟如何呢?

可以說物理學家們真是被深深打臉了,這倒不是說測得的電子形狀長得完全出乎意料,而是大多數人所認同的超對稱理論看來難逃一劫了。

2014 年1 月,參與實驗的科學家們得到的令人難以置信的結果,結果顯示電子是完美的圓球,誤差僅為10 的27 次方分之一,也就是說電子的形狀基本就是完美的,對稱破缺的概率,不會超過十億分之一的十億分之一的十億分之一,可能大家從這個數字上,還很難直觀地想象出電子到底圓到什麼程度。

這麼說吧,就是把電子放大到太陽那麼大,其各向半徑之間的差別也不超過一根頭髮絲,這個結果彷彿讓人們回到了2000 多年前,當時的人們認為大自然偏愛完美,討厭不完美,但是後來隨著科學的發展,人們發現不完美才是世界的主旋律。

但電子形狀的發現,讓人們再次看到了可能只會存在於古希臘人思想中的完美形狀,可以說這次實驗是對超對稱理論的一個沉重打擊,那麼超對稱理論就要就此終結了嗎?不好說,如果物理學家們依然相信超對稱理論的話,他們完全可以想象出一些,能夠迎合超對稱理論所預言的物理機制,並對超對稱理論作出相應的調整。

但不得不說的是,這些調整很可能把物理學家們逼入絕境,就像當年的地心說一樣,雖然地心說已經和天文觀測越來越不相符了,但當時的人們還是在對地心說不斷地做著調整,加上一些所謂的本環。

電子到底長啥樣子

複雜的地心說

最後加到80 多個本環,就在人們行將崩潰的時候,日心說終於解放了人們的思想,如果電子形狀也出現這樣的情況的話

看來拋棄超對稱理論也只是時間問題了,當然現在就對超對稱理論判處死刑還是為時尚早,因為實驗結果很可能存在誤差,現在ACME 的研究人員仍在繼續尋找著電子的微小瑕疵。

在未來的幾年內,實驗精度可以提高10 倍,然後再提高10 倍,具體會提高到怎樣的倍數咱就不知道了,但可以肯定的是

所有理論,屆時都將迎來終極大考,決定命運的一刻就在不久的將來。

所以說這一切都只是時間的問題了,要麼有朝一日,人們在電子錶面找到微小的對稱破缺,為超對稱理論等猜想續上一命,要麼電子始終保持其高冷的完美形狀,令所有假設都灰飛煙滅,將物理學家推回對物質模糊認知的起點。

當然了這種模糊的認知還是和千百年前,是有本質區別的,總之世界上隱藏最深的秘密之一,就要被揭開了,還是老話,拭目以待,在這之前電子就在那裡,等待著我們的發現,上帝決定,我們觀察,最終能不能觀察到就要看自我奮鬥與歷史進程了。


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