作者：文/虞子期

此时，当你回忆起高中时代，首先映入脑海的会是怎样一副画面？是否还记得高中科学书籍中所提到的电子？如果还记得书籍中的电子形状和对应的解释，那么对这句话应该会很熟悉：电子是比原子更小的负电荷小球。然而，随着我们年龄的增长、科学的进步和知识的积累，逐渐了解到这些与事实中的电子特性相去甚远。

原子和我们周围的世界有何关联

原子组成我们周围世界的主要组成部分之一，便是电子。正是围绕每个原子核的电子，决定了相关化学反应是怎么进行的。关于这些知识，在现代工业中的应用相当丰富，比如：从电子和焊接，到成像和先进的粒子加速器。如果在物理实验中，将电子置于科学探究的中心位置，那么电子的形状会是什么样子？这是一个看似简单、却具有较高难度的问题。

在量子物理领域调整形状的定义

根据目前物理学家们所知道的内容来看，电子并不具备内部结构，所以电子这个词最典型的含义就是没有形状。在现代语言中，小于原子核的物体行为可以由粒子物理学解答：“量子汤”是连续不断的“流状物质”，也是物质的基本块，它可以充分渗透到我们周围的整个空间里。在这种特定的语言中，电子被看作“电子场”的粒子、又或是量子。

如果可以理解上面这一点，当我们不能通过显微镜、或者任何其他光学设备，直接看到电子的形状，它是否还有意义？首先，只有当我们调整了自己对形状的定义，才有可能解答这个疑问。该定义可以在量子物理领域中使用，换而言之，它可以在极小的距离内使用。在宏观世界中，我们看到了不同的形状，这便意味着我们的眼睛也具有探测能力，可以观测我们周围不同物体的反射光线。

这是一种看似奇怪的思考方式，定义它们的形状，是通过观察到的物体在光线照射到它们时的反应。但这样的方式，却是量子粒子的亚原子世界中非常有用的形式，它在为我们提供定义电子特性方法的一种的同时，还模仿了我们在古典世界中描述形状的方式。到底是什么取代了微观世界中的基本形状概念？因为光只是震荡磁场和电场的组合，所以我们这样定义电子的量子特性是非常有用的。所施加的磁场和电场，目标电子将会携带关于它如何响应的信息。

特定外部电场中电子的2个特性

我们可以从电荷这个电子最简单的特性着手。如果放置在一些特定的外部电场中，它不仅描述了力，最终更是电子将经历的加速度。通过一个简单的示例可以更形象的来说明：在基础物理学的书籍中，电子的“带电球”类比，一个带有负电的大理石同样也可以发生类似的反应。

于此同时，电子还有另外一个“幸存”特性，被称为磁偶极矩。这四个字告诉了我们电子如何对磁场做出自己的反应：电子的行为和一个微小的条形磁铁很像，一直试图沿着磁场的方向定向。即使不能不过多地采用这样的类比，这是需要记住的一件很重要的事。但是，它们的存在，也的确帮助我们了解了一些关键点，比如：为什么物理学家要尽可能精确的测量这些量子特性。

量子特性是否描述了电子的形状

量子特性对描述电子的形状意味着什么？实际上，物理学家们有几个最简单、并最有用的说明，那就是电偶极矩和电火花加工。经典物理学中的EDM是在电荷空间分离时才会出现，如果是没有电荷分离的带电球体，那么它的EDM值应该是零。

当哑铃的重量相反时，则会出现一侧为负、一侧为正的情况。而宏观世界中的这种“哑铃”是具有“非零电偶极矩”的。如果物体的形状可以决定电荷的分布，这便意味着物体的形状必须和球形有所不同，这就是为什么EDM将量化宏观物体“哑铃”的原因之所在。

电子电荷和磁偶极矩的数值被改变

但是，在量子的世界中，EDM的故事则完全不同。在这个世界里，电子周围的真空并不符合它的名字，即：这个真空并不是空的。与之相反，这个“真空”的空间是由各种亚原子利息填充后短时间的虚拟存在。在电子的周围，这些虚拟的粒子形成了“云”。此时，只需要将光线照射在这些电子上，那么其中的一些光便可以从云中的虚拟粒子反弹，而不是从该电子本身。

文章来源：《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0426/855.html

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