哈佛大學公布了他們的研究,認為他們所計算出的電子形狀是圓的

2021-01-08 電子發燒友
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哈佛大學公布了他們的研究，認為他們所計算出的電子形狀是圓的

李倩 發表於 2018-11-14 10:30:19

上周，哈佛大學的一個物理研究團隊公布了他們的研究，認為他們所計算出的電子形狀是圓的。

圖|現有的技術還不足以探測到電子的電偶極矩

對稱性

我們一般都會把電子想成是一個帶電粒子，一個帶電的點，不具有任何內部結構，但實際上，還有角動量和磁性，而這兩個性質則對電子的形狀做了限制。

磁鐵有磁極，而電子若有磁性，在理論上則需在磁場軸方向上擁有內部電荷，但要證明這點很難，因為電子內部可存在的電荷分布量級實在是太小了，現有理論和技術都難以使電子的內部電荷以非零電偶極矩（non-zero electric dipole moment）的形式被探測到。

而偶極矩（dipole moment）本質上指的是電荷分布受力矩（torque，這裡指一個能扭曲電荷分布的力）的影響程度。

帶電的足球

在宏觀層面上，一個電子就好比是一個被一根細棍懸在空中的帶電金屬足球，由於電荷同性相斥，在不受外界幹擾的情況下，足球所帶電荷會均勻分布在表面。但如果我們用沙粒般大小的電荷持續射擊足球重心以外的部分，利用電荷同性相斥的原理使足球發生偏轉，足球本身的電荷分布也會此期間發生改變。

而尋找電偶極矩的研究基本上就是在尋找這種由電荷分布改變產生的測量差異。哈佛大學團隊在實驗中重點研究了強電場環境中電子行為是否會發生改變，也就是通過尋找非球形電荷分布來找到電偶極矩存在的證據。

是圓還是球？

現有理論認為電子如果是球形，其直徑約為 10-38 釐米，由強電場產生的扭矩所造成的影響更是微乎其微，超出了現有技術的觀測範圍，在本次哈佛大學的研究中被觀測電子為圓形也不為怪。同時，哈佛的團隊在本次研究中也未能找到電偶極矩存在的證據。

那既然沒測出來，那新聞的意義在哪裡呢？這是因為標準模型預言了電子上存在微小的電偶極矩，這也給我們留下了許多懸而未決的問題，比如「為什麼基本常數就是它們的取值？」、「標準模型與重力理論是否相配？」和「如果暗物質是一種粒子，我們可以將它整合到標準模型中嗎？」

物理學家們多年來一直希望電子的電偶極矩屬於我們可測範圍，進而以此回答那些標準模型沒有給出答案的問題。

雖然標準模型和目前大部分實驗數據相符，但由於這種目前還尚無答案的問題，導致物理學家們對「標準模型是否能經得住考驗」還存在很多疑慮。

在許多對目前尚無實驗數據科研領域嘗試完善標準模型的理論當中，很多都認為電子的電偶極矩應處於現有技術可觀測的範圍，但哈佛的這項研究無疑是對這些猜測的終結。

曾有理論物理學家坦言：「有的理論在數學上是如此的自治，在任何方面都很漂亮，以至於它應該不可能出錯，而有的理論是如此『醜陋』，以至於我想拿個鐵鍬把它夷為平地。」

但無論如何，雖然許多由標準模型延伸而成的候選理論被終結了，與標準模型有關的問題仍然存在。

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