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1964年,美国哈佛和康奈尔大学的两个团队,通过实验得出结果:电子半径为10-13~10-14厘米。其中,电子半径10的负14次方厘米与我们通过引力方面的研究,计算出的电子在引力场中有效作用截面半径相符。综合各方面情况,我们认为,电子可能没有确定的边界,或类似海绵球,电子处于不同的量子态、或与不同的物理场能和不同能态粒子相互作用,表现出的大小是不一样的。电子作为一种微观粒子,有电荷和质量,电子产生电场和引力场,正如爱因斯坦在《物理学的进化》一书指出的那样,粒子的场从何处开始?粒子的边界从何处确定?这是没办法弄清楚的,所以我们也只能根据不同情况,大致给出微观粒子一个模糊参考的尺度。
丁肇中教授到德国电子同步加速器研究所(DESY),仅八个月后,就有了测量结果:电子的半径比10-14厘米要小,这意味着电子还是“没有体积”,抑或更准确的表述是无法测量。在一场讨论QED的国际高能物理会议上,哈佛、康奈尔团队各自做了长长的报告,丁肇他用扎实的实验数据成功反驳了哈佛、康奈尔团队。
1982年~2003年,丁肇中花了20年投入实验中,得出两个重要的实验结果:宇宙中只有三种不同的电子和六种夸克;电子和夸克都没有体积,半径都小于10-17厘米。
从1965年起,历经40多年,丁肇中才把电子半径的范围从10-14厘米缩小到10-17厘米,丁肇中说,这是一个很简单但却非常奇怪的现象,我们每天都在使用电,但你去测电子的体积,却永远找不到,永远比粒子的尺度要小。
杨振宁先生就是以此为依据,在他于1998年发表的《20世纪物理学中各种对称性观念的起源》中得出至今为止,从实验结果来看,直到10-16厘米的线度内电子仍无结构的结论。
像电子这种基本粒子的大小是无法通过常规方法来测量的,对此,科学家最初采用的方法是,先将一大堆电子“扔”向目标电子,然后再通过观察“扔”出的这些电子的散射情况来测算目标电子的所占据的空间大小。
通过这种方法,科学家得出的结论为:电子的直径小于10^-16米。
1989年的诺贝尔物理学奖获得者汉斯·乔治·德梅尔特给出了更精确的答案,简而言之,他创造了一个直径只有10^-22米的“离子势阱”,然后再观察它能不能装下一个电子,实验结果是:这个“离子势阱”真的装下一个电子。
这个实验说明了,电子的直径小于10^-22米,那还有没有更精确的测量呢?很抱歉,至少现在还没有,所以我们不妨将电子的直径取值为其最大值,即10^-22米。
但是如果考虑电子在势阱中若有量子遂穿,会出现怎样的情况呢?
有关电子的半径讨论如下:
电子半径是一个复杂的概念,涉及到经典物理学和量子力学的不同解释。电子是构成物质的基本粒子之一,其特性包括电荷、质量和波动性。电子的半径在经典物理学中被视为一个点电荷,没有具体的物理尺寸,但在量子力学中,电子被描述为具有波粒二象性的粒子,其大小和分布不再是确定的点。
在经典物理学中,电子被视为一个点电荷,因此没有具体的“半径”概念。然而,在量子力学中,电子的尺寸通过其波函数和电子云密度来描述,这些概念在更高级的物理理论和计算中更为适用。
从能量和质量方面,有对电子大小的不同理论方面的一些考量。
根据爱因斯坦质能公式,假设电子的能量E=mc2完全来自球状电子的电场能e2/4πε₀r₀,则有mc2=e2/4πε₀r₀,可得电子的经典半径为
r₀=e2/4πε₀mc2≈2.81×10⁻1⁵(米)
由于电子具有自旋角动量L=ħ/2,假设电子的质量均匀分布在这个小球中,而均质球体的转动惯量为I=2mr₀2/5
按照经典角动量计算公式L=Iω=(2mr₀2/5)(v/r₀)=2mr₀v/5=ħ/2
可得电子赤道边缘的线速度v=5ħ/4mr₀≈5.15×101⁰(米/秒)
这个速度是光速的100多倍。如果电子半径比其经典半径更小,电子赤道边缘的线速度更大。
另外,如果把电子看成球体得到它的磁矩μ与角动量L的比值为μ/L=e/2m,但是,狄拉克相对论得到的电子磁矩μ与角动量L的比值为μ/L=e/m,是经典比值的2倍。实验结果为经典理论计算结果的2倍多一点,即为2.002……,这个结果可以由量子电动力学进行计算,在小数点后11位与实验值精确符合。
电子的史瓦西半径可以通过史瓦西半径的公式计算得出。 电子的史瓦西半径比普朗克长度还要小20多个数量级,这意味着在那样小的尺度之下,人类的物理学已经不再适用。
关于电子是否具有史瓦西半径存在不同的观点。一些观点认为,根据史瓦西度规,任何一个具有质量的粒子都具有大于零的史瓦西半径。但也有人认为,电子实际上是没有史瓦西半径的。
史瓦西半径是物理学中的一个重要概念,它反映了如果特定质量的物质被压缩到该半径值之内,将没有任何已知类型的力可以阻止该物质在自身引力的条件下将自己压缩成一个黑洞。
作为著名的实验物理学家,丁肇中教授说,很多成绩好的东方学生都喜欢学理论,学量子理论。他觉得这个不是最重要的,因为他也学过很多。对他来说,最重要的是物理实验。因为,再好的理论,没有实验的证明,都没用。同时,学实验的人一定要了解物理的理论。不过,不能信任理论物理,不能说理论物理学家说的物理就是真理,物理学家说的真理经常被实验推翻。
现代物理学在评判一个理论的正确性或成功性时,最重要的标准是该理论本身的自洽性和能否很好地解释实验规律,因此,即使该理论违背了直觉或一些早已在人们心中根深蒂固的“事实”,那也在很大一部分程度上也是可以接受的。
物理实质是不应该依赖于选择什么表象的(物理实质只能是实验现象和数据),而对于各种物理量的定义从某种意义上来说就是一种表象。既然不依赖于表象,我们当然是选择一种最简单直观的表象来理解我们的世界咯,比如说定义粒子的电荷就能很好得解释各种电磁现象了,何乐而不为?所以,真正的好的理论或伟大的理论,并不是它能够推翻人们先前对这个世界的某些认识,或其多么晦涩难懂,而是,首先它是自洽的并且能够完美地解释和预测实验,其次它是简洁直观的。这里的直观不是说它一定要符合直觉,而是物理过程是可以直接从该理论中读出来,比如在狄拉克方程中,反粒子的概念可以直接从方程式中得出来,这就是所谓的直观。研究物理理论的人到了这样一种境界,真的就是玩了——猜想和撞大运了!
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