新研究的观测结果显示电子是圆的，但这究竟意味着什么？

Arcman · 发表于 2019-5-17 19:26

新研究的观测结果显示电子是圆的，但这究竟意味着什么？

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上周，哈佛大学的一个物理研究团队公布了他们的研究，认为他们所计算出的电子形状是圆的。

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图|现有的技术还不足以探测到电子的电偶极矩（来源：arstechnica）

对称性

我们一般都会把电子想成是一个带电粒子，一个带电的点，不具有任何内部结构，但实际上，还有角动量和磁性，而这两个性质则对电子的形状做了限制。

磁铁有磁极，而电子若有磁性，在理论上则需在磁场轴方向上拥有内部电荷，但要证明这点很难，因为电子内部可存在的电荷分布量级实在是太小了，现有理论和技术都难以使电子的内部电荷以非零电偶极矩（non-zero electric dipole moment）的形式被探测到。

而偶极矩（dipole moment）本质上指的是电荷分布受力矩（torque，这里指一个能扭曲电荷分布的力）的影响程度。

带电的足球

在宏观层面上，一个电子就好比是一个被一根细棍悬在空中的带电金属足球，由于电荷同性相斥，在不受外界干扰的情况下，足球所带电荷会均匀分布在表面。但如果我们用沙粒般大小的电荷持续射击足球重心以外的部分，利用电荷同性相斥的原理使足球发生偏转，足球本身的电荷分布也会此期间发生改变。

而寻找电偶极矩的研究基本上就是在寻找这种由电荷分布改变产生的测量差异。哈佛大学团队在实验中重点研究了强电场环境中电子行为是否会发生改变，也就是通过寻找非球形电荷分布来找到电偶极矩存在的证据。

是圆还是球？

现有理论认为电子如果是球形，其直径约为 10-38 厘米，由强电场产生的扭矩所造成的影响更是微乎其微，超出了现有技术的观测范围，在本次哈佛大学的研究中被观测电子为圆形也不为怪。同时，哈佛的团队在本次研究中也未能找到电偶极矩存在的证据。

那既然没测出来，那新闻的意义在哪里呢？这是因为标准模型预言了电子上存在微小的电偶极矩，这也给我们留下了许多悬而未决的问题，比如“为什么基本常数就是它们的取值？”、“标准模型与重力理论是否相配？”和“如果暗物质是一种粒子，我们可以将它整合到标准模型中吗？”

物理学家们多年来一直希望电子的电偶极矩属于我们可测范围，进而以此回答那些标准模型没有给出答案的问题。

虽然标准模型和目前大部分实验数据相符，但由于这种目前还尚无答案的问题，导致物理学家们对“标准模型是否能经得住考验”还存在很多疑虑。

在许多对目前尚无实验数据科研领域尝试完善标准模型的理论当中，很多都认为电子的电偶极矩应处于现有技术可观测的范围，但哈佛的这项研究无疑是对这些猜测的终结。

曾有理论物理学家坦言：“有的理论在数学上是如此的自治，在任何方面都很漂亮，以至于它应该不可能出错，而有的理论是如此‘丑陋’，以至于我想拿个铁锹把它夷为平地。”

但无论如何，虽然许多由标准模型延伸而成的候选理论被终结了，与标准模型有关的问题仍然存在。

参考：

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