導(dǎo)讀：電子是我們熟悉的一個(gè)物理粒子，初中就開始接觸。我們都知道，電子是基本粒子，不可再分。電子的概念也非常重要。對(duì)于電磁學(xué)，元素性質(zhì)等影響很大。但有研究表明，電子是可以再分的，這個(gè)新認(rèn)識(shí)，也是很大突破。那么電子可以再分，意味著什么呢？電子究竟是如何再分的？一起來看看科學(xué)家是如何回答的。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

內(nèi)容正文：

人們對(duì)于電子在原子中的排列問題，進(jìn)行了長久的研究。在不同的時(shí)代，人們對(duì)電子在原子中的存在方式有過各種不同的推測。

最早的原子模型是湯姆孫的梅子布丁模型。發(fā)表于1904年，湯姆遜認(rèn)為電子在原子中均勻排列，就像帶正電布丁中的帶負(fù)電梅子一樣。1909年，著名的盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)徹底地推翻了這模型。1909年盧瑟福和他的助手蓋革(H.Geiger)及學(xué)生馬斯登(E.Marsden)在做α粒子和薄箔散射實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到絕大部分α粒子幾乎是直接穿過鉑箔，但偶然有大約1/8000α粒子發(fā)生散射角大于90。所以不能用湯姆遜原子模型來解釋。

盧瑟福根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，于1911年，設(shè)計(jì)出盧瑟福模型。在這模型里，原子的絕大部分質(zhì)量都集中在小小的原子核中，原子的絕大部分都是真空。而電子則像行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。這一模型對(duì)后世產(chǎn)生了巨大影響，直到現(xiàn)在，許多高科技組織和單位仍然使用電子圍繞著原子核的原子圖像來代表自己。( 文章閱讀網(wǎng)：www.sanwen.net )

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

在經(jīng)典力學(xué)的框架之下，行星軌道模型有一個(gè)嚴(yán)重的問題不能解釋：呈加速度運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)產(chǎn)生電磁波，而產(chǎn)生電磁波就要消耗能量；最終，耗盡能量的電子將會(huì)一頭撞上原子核（就像能量耗盡的人造衛(wèi)星最終會(huì)進(jìn)入地球大氣層）。于1913年，尼爾斯·玻爾提出了玻爾模型。在這模型中，電子運(yùn)動(dòng)于原子核外某一特定的軌域。距離原子核越遠(yuǎn)的軌域能量越高。

電子躍遷到距離原子核更近的軌域時(shí)，會(huì)以光子的形式釋放出能量。相反的，從低能級(jí)軌域到高能級(jí)軌域則會(huì)吸收能量。藉著這些量子化軌域，玻爾正確地計(jì)算出氫原子光譜。但是，使用玻爾模型，并不能夠解釋譜線的相對(duì)強(qiáng)度，也無法計(jì)算出更復(fù)雜原子的光譜。

到1916年，美國物理化學(xué)家吉爾伯特·路易士成功地解釋了原子與原子之間的相互作用。他建議兩個(gè)原子之間一對(duì)共用的電子形成了共價(jià)鍵。于1923年，沃爾特·海特勒Walter Heitler和弗里茨·倫敦Fritz London應(yīng)用量子力學(xué)的理論，完整地解釋清楚電子對(duì)產(chǎn)生和化學(xué)鍵形成的原因。于1919年，歐文·朗繆爾將路易士的立方原子模型。加以發(fā)揮，建議所有電子都分布于一層層同心的（接近同心的）、等厚度的球形殼。他又將這些球形殼分為幾個(gè)部分，每一個(gè)部分都含有一對(duì)電子。使用這模型，他能夠解釋周期表內(nèi)每一個(gè)元素的周期性化學(xué)性質(zhì)。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

于1924年，奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇靡唤M參數(shù)來解釋原子的殼層結(jié)構(gòu)。這一組的四個(gè)參數(shù)，決定了電子的量子態(tài)。每一個(gè)量子態(tài)只能容許一個(gè)電子占有。（這禁止多于一個(gè)電子占有同樣的量子態(tài)的規(guī)則，稱為泡利不相容原理）。這一組參數(shù)的前三個(gè)參數(shù)分別為主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)。第四個(gè)參數(shù)可以有兩個(gè)不同的數(shù)值。

于1925年，荷蘭物理學(xué)家撒姆耳·高斯密特Samuel Abraham Goudsmit和喬治·烏倫貝克George Uhlenbeck提出了第四個(gè)參數(shù)所代表的物理機(jī)制。他們認(rèn)為電子，除了運(yùn)動(dòng)軌域的角動(dòng)量以外，可能會(huì)擁有內(nèi)在的角動(dòng)量，稱為自旋，可以用來解釋先前在實(shí)驗(yàn)里，用高分辨率光譜儀觀測到的神秘的譜線分裂。這現(xiàn)象稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

有了這些關(guān)于電子的基本內(nèi)容的介紹，我們接下來看看這個(gè)新聞。

100多年前，當(dāng)美國物理學(xué)家Robert Millikan首次通過實(shí)驗(yàn)測出電子所帶的電荷為1.602×10-19C后，這一電荷值便被廣泛看作為電荷基本單元。然而如果按照經(jīng)典理論，將電子看作“整體”或者“基本”粒子，將使我們對(duì)電子在某些物理情境下的行為感到極端困惑，比如當(dāng)電子被置入強(qiáng)磁場后出現(xiàn)的非整量子霍爾效應(yīng)。

為了解決這一難題，1980年，美國物理學(xué)家Robert Laughlin提出一個(gè)新的理論解決這一迷團(tuán)，該理論同時(shí)也十分簡潔地詮釋了電子之間復(fù)雜的相互作用。然而接受這一理論確是要讓物理學(xué)界付出“代價(jià)”的：由該理論衍生出的奇異推論展示，電流實(shí)際上是由1/3電子電荷組成的。

但1981年有物理學(xué)家提出，在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。英國劍橋大學(xué)研究人員和伯明翰大學(xué)的同行合作完成了這項(xiàng)研究。公報(bào)稱，電子通常被認(rèn)為不可分。劍橋大學(xué)研究人員將極細(xì)的“量子金屬絲”置于一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個(gè)原子寬度，并將它們置于近乎絕對(duì)零度的超低溫環(huán)境下，然后改變外加磁場，發(fā)現(xiàn)金屬板上的電子在通過量子隧穿效應(yīng)跳躍到金屬絲上時(shí)分裂成了自旋子和穴子。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

研究人員說，人們對(duì)電子性質(zhì)的研究曾掀起了半導(dǎo)體革命，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，又出現(xiàn)了實(shí)際研究自旋子和空穴子性質(zhì)的機(jī)會(huì)，這可能會(huì)促進(jìn)下一代量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，帶來新一輪的計(jì)算機(jī)革命。

各位，相信你也是第一次聽說這兩個(gè)粒子：自旋子，空穴子。按這個(gè)報(bào)道的話，就是說已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)粒子。我特意去查了這兩個(gè)粒子。

自旋子（英語：spinon）是一種準(zhǔn)粒子，是電子出現(xiàn)電荷自旋分離現(xiàn)象時(shí)分裂成的三種準(zhǔn)粒子之一（另兩種為空穴子與軌道子）。也就是說電子可再分為自旋子，空穴子，軌道子。

2011年進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在X射線照射下Sr2CuO3中銅原子的電子會(huì)躍遷到高能軌道，并分裂成自旋子與攜帶軌道位的軌道子。竟然是2011年的新聞。

軌道子（英語：orbiton）是一種準(zhǔn)粒子，是電子出現(xiàn)電荷自旋分離現(xiàn)象時(shí)分裂成的三種準(zhǔn)粒子之一（另兩種為自旋子與空穴子）。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

1997－1998年，van den Brink、Khomskii與Sawatzky從理論上預(yù)言了軌道子的存在。2011年的一項(xiàng)研究則在實(shí)驗(yàn)中觀察到了軌道子。實(shí)驗(yàn)使用X射線照射一維Sr2CuO3材料，導(dǎo)致銅原子中的電子躍遷到高能軌道，并分裂成攜帶自旋性質(zhì)的自旋子與攜帶軌道位的軌道子。

空穴子（英語：holon），又稱為電荷子（chargon），是一種準(zhǔn)粒子 ，是電子 出現(xiàn)電荷自旋分離現(xiàn)象時(shí)分裂成的三種準(zhǔn)粒子之一（另兩種為自旋子與軌道子）。

各位首先在這里要明確一個(gè)概念，那就準(zhǔn)粒子的概念。準(zhǔn)粒子是一種量子能。從凝聚態(tài)物理學(xué)上，你也可以這樣想象，準(zhǔn)粒子類似于在相互作用粒子系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)體，當(dāng)實(shí)體中的一個(gè)粒子在系統(tǒng)中穿行并朝著一定方向運(yùn)動(dòng)，環(huán)繞該粒子的其它粒子云因?yàn)槠溟g的相互作用而脫離原有的運(yùn)動(dòng)軌跡，或者"被拖拽著向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)"，從宏觀上看來 ，這一系統(tǒng)就像一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)著的整體，也就是一個(gè)"準(zhǔn)粒子"。實(shí)際上這不是一個(gè)實(shí)在的粒子。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

元激發(fā)和準(zhǔn)粒子的概念，是Landau在他的流體量子理論中首先引入的，這是固體量子理論的重要概念，已逐漸發(fā)展為元激發(fā)物理。

固體是由大數(shù)量(數(shù)量級(jí)1029/m3)有較強(qiáng)相互作用的微觀質(zhì)粒(分子、原子或離子，電子等)組成，它們的運(yùn)動(dòng)是互相關(guān)聯(lián)和互相制約的集體運(yùn)動(dòng)。按照量子力學(xué)的描述，這樣的集體運(yùn)動(dòng)在固體內(nèi)形成一種波動(dòng)和相應(yīng)的波場。在處于接近基態(tài)的低激發(fā)態(tài)時(shí)，在簡諧近似下，這種激發(fā)的波動(dòng)可看作一系列頻率不同的平面波，這些平面波相應(yīng)于具有一定能量和動(dòng)量，并且滿足某種色散律的準(zhǔn)粒子。

這樣的處理，將有較強(qiáng)相互作用的多粒子系統(tǒng)，變成為許多獨(dú)立準(zhǔn)粒子的集合，故可用統(tǒng)一的方式描述固體的性質(zhì)，而且使問題的處理大為簡化。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

值得注意的是，元激發(fā)和準(zhǔn)粒子是用量子力學(xué)處理多粒子系統(tǒng)時(shí)人為引入的概念，并不是真實(shí)的微觀粒子，它們不能脫離固體而單獨(dú)存在；而且，隨著溫度升高或強(qiáng)的外部激發(fā)，系統(tǒng)將處于高的激發(fā)態(tài)，準(zhǔn)粒子數(shù)隨之增大，因此準(zhǔn)粒子系統(tǒng)的粒子數(shù)是不守恒的，元激發(fā)之間的相互作用就漸顯重要，從而對(duì)固體性質(zhì)有重要影響。

元激發(fā)和準(zhǔn)粒子一般有二種類型。一種是Bose型元激發(fā)，相應(yīng)的準(zhǔn)粒子是玻色子，如聲子、轉(zhuǎn)子、磁振子(自旋波量子)，等離激元、激子等；另一種是Fermi型元激發(fā)，相應(yīng)的準(zhǔn)粒子是費(fèi)米子，如準(zhǔn)電子、空穴子、極化子等。實(shí)際上極化子是電子和聲子耦合的復(fù)式元激發(fā)，復(fù)式元激發(fā)最為重要是光子-TO聲子的極化激元和激子-TO聲子的極化激元等。隨著固體非線性行為研究的深入，非線性的元激發(fā)-孤子正在步入各個(gè)研究領(lǐng)域。

元激發(fā)和準(zhǔn)粒子的概念，是固態(tài)量子理論發(fā)展的里程碑，應(yīng)用的范圍涉及表面物理、非晶態(tài)物理，以及材料科學(xué)、信息科學(xué)，能源科學(xué)等許多研究領(lǐng)域，非線性元激發(fā)已引起物理學(xué)家的廣泛重視

有了上面的鋪墊，我們來看這個(gè)新聞：一個(gè)由瑞士保羅·謝爾研究所實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和德國德累斯頓固體和材料研究所理論物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)電子分裂成兩個(gè)獨(dú)立的準(zhǔn)粒子：自旋子（spinon）和軌道子（orbiton）。這一結(jié)果發(fā)表在近日的《自然》雜志上。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

以往人們認(rèn)為電子是一種基本粒子，無法分裂為更小部分。上世紀(jì)80年代，物理學(xué)家預(yù)言，電子以原子的一維鏈形式存在，可以分裂成3個(gè)準(zhǔn)粒子：空穴子攜帶電子電荷，自旋子攜帶旋轉(zhuǎn)屬性（一種與磁性有關(guān)的內(nèi)在量子性質(zhì)），軌道子攜帶軌道位。1996年，物理學(xué)家將電子空穴和自旋子分開，自旋和軌道這兩種性質(zhì)伴隨著每一個(gè)電子。

然而，新實(shí)驗(yàn)觀察到這兩種性質(zhì)分開了——電子衰變?yōu)閮蓚€(gè)不同部分，各自攜帶電子的部分屬性：一個(gè)是自旋子，具有電子的旋轉(zhuǎn)屬性；另一個(gè)是軌道子，具有電子繞核運(yùn)動(dòng)的屬性，但這些新粒子都無法離開它們的物質(zhì)材料。

研究人員用瑞士光源（Swiss Light Source）的X射線對(duì)一種叫做Sr2CuO3的鍶銅氧化物進(jìn)行照射，讓其中銅原子的電子躍遷到高能軌道，相應(yīng)電子繞核運(yùn)動(dòng)的速度也就越高。他們發(fā)現(xiàn)，電子被X射線激發(fā)后分裂為兩部分：一個(gè)是軌道子，產(chǎn)生軌道能量；另一個(gè)是自旋子，攜帶電子的自旋性及其他性質(zhì)。Sr2CuO3有著特殊性質(zhì)，材料中的粒子會(huì)被限制只能以一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，向前或向后。通過比較X射線照射材料前后的能量與動(dòng)量的變換，可以追蹤分析新生粒子的性質(zhì)。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

實(shí)驗(yàn)小組領(lǐng)導(dǎo)托斯登·施密特說：“這些實(shí)驗(yàn)不僅需要很強(qiáng)的X射線，把能量收縮在極狹窄范圍，才能對(duì)銅原子的電子產(chǎn)生影響，還要有極高精度的X射線探測儀?！?/p>

“這是首次觀察到電子分成了獨(dú)立的自旋子和軌道子?，F(xiàn)在我們知道了怎樣找到它們。下一步是同時(shí)產(chǎn)生出空穴子、自旋子和軌道子來?！崩碚撔〗M領(lǐng)導(dǎo)杰羅恩·范德·布林克說，“在材料中，這些準(zhǔn)粒子能以不同的速度、完全不同的方向運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)樗鼈儽幌拗圃诓牧现袝r(shí)，性質(zhì)就像波。當(dāng)被激發(fā)時(shí)，波分裂為多個(gè)，每個(gè)攜帶電子的不同特征，但它們不能在材料以外獨(dú)立存在?！?/p>

觀察到電子分裂將對(duì)一些前沿領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，如高溫超導(dǎo)和量子計(jì)算機(jī)。Sr2CuO3中的電子和銅基超導(dǎo)材料中的電子有著相似的性質(zhì)，該研究為高溫超導(dǎo)研究提供了一條新途徑。此外，研究軌道子有助于開發(fā)量子計(jì)算機(jī)?！巴瑫r(shí)用自旋子和軌道子來編碼和操控信息，這可能是未來發(fā)展的方向。”英國牛津大學(xué)物理學(xué)家安德魯·波斯羅伊德說，“量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)主要障礙是量子效應(yīng)會(huì)在完成計(jì)算之前被破壞。而軌道子的躍遷速度只要幾飛秒（1飛秒=10的負(fù)15次方秒），這樣的速度為制造現(xiàn)實(shí)量子計(jì)算機(jī)帶來了更多機(jī)會(huì)?！?/p>

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

讀到這里，你怎么理解這個(gè)實(shí)驗(yàn)？不太好理解，看時(shí)間是2012年的央視新聞，電子分裂實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該是諾獎(jiǎng)級(jí)別的實(shí)驗(yàn)。所以對(duì)于該新聞還是要有謹(jǐn)慎態(tài)度。

因?yàn)檫@是一種激發(fā)過程，激發(fā)就難免碰撞和能量的交互。那么如何排除不是光子或其他能量的效應(yīng)。這一點(diǎn)要考慮進(jìn)去。你仔細(xì)讀讀這句話“在材料中，這些準(zhǔn)粒子能以不同的速度、完全不同的方向運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)樗鼈儽幌拗圃诓牧现袝r(shí)，性質(zhì)就像波。當(dāng)被激發(fā)時(shí)，波分裂為多個(gè)，每個(gè)攜帶電子的不同特征，但它們不能在材料以外獨(dú)立存在?！?/p>

它這個(gè)描述甚至連想象的余地都沒有。你試著去想象一下，就會(huì)覺得痛苦。這三種空穴子、自旋子和軌道子是準(zhǔn)粒子，那就不是粒子。無論是不是，它不能在材料外獨(dú)立存在，這就是說沒有直接捕獲。也就是電子的分裂是捕獲的分裂跡象。我這樣描述的時(shí)候，大家是不是也覺得不好理解。

電子可以再分的一個(gè)啟發(fā)是，其他基本粒子也可以再分。其實(shí)我倒覺得物理學(xué)家反復(fù)去創(chuàng)造一些類似于上面這些“子”概念，會(huì)使得物理越走越難。因?yàn)檫@些概念，其實(shí)并不簡潔。

再思考一下，電子可以分為三個(gè)類型的粒子?？昭ㄗ?、自旋子和軌道子。問題來了，空穴子攜帶電子電荷，那么空穴子這種準(zhǔn)粒子本身還具有自旋和軌道性質(zhì)嗎？如果不具有，該如何想象？如果具有，那么該如何理解？所以我說這個(gè)不好理解。

如果電子可以實(shí)實(shí)在在分裂為這三個(gè)粒子，那就是一種新發(fā)現(xiàn)，新粒子的出現(xiàn)。如果不能脫離材料外出現(xiàn)，連觀測都會(huì)不容易。那么理論明確化，就會(huì)受到制約。

還有該理論和夸克理論，似乎有相似之處。因?yàn)槲覀兡壳耙矝]有觀測到獨(dú)立的夸克。所以電子可再分的意義，以及問題，其實(shí)有很多很多的。

最后強(qiáng)調(diào)，電子再分，不是說分裂成了三個(gè)實(shí)粒子，而是準(zhǔn)粒子。準(zhǔn)粒子大多是為了簡化系統(tǒng)的描述，而提出的粒子，并不真實(shí)。但它有可觀測的跡象。試想一下，如果真的電子再分為三個(gè)粒子，那么該實(shí)驗(yàn)一定是諾獎(jiǎng)級(jí)別的，一定會(huì)轟動(dòng)世界。

最新研究表明，電子有望被再分為三種粒子

摘自獨(dú)立學(xué)者，科普作家，藝術(shù)家靈遁者書籍《見微知著》

首發(fā)散文網(wǎng)：http://www.277762.cc/zawen/vicwbkqf.html