“如能真正了解电子，足矣”——爱因斯坦

公元5世纪，哲学家德模克利托想象的最小不可分实体——原子素（atomon），是一个最权威，但也不是不可改变的概念，到1930年的时候，它就已经改变了两次：先从一种类似于分子的东西，如易变的水原子素，变为门捷列夫式化学家眼中的原子，以后该概念又进一步演变为电子和质子。电子和质子最初也被认为是小而具有确定大小的实体，随着20年代末期狄拉克电子理论的诞生，电子和质子的大小又缩小到数学上的零。那时，人人都以为电子和质子是不可分的狄拉克点粒子，其半径R=0，而旋磁比g=2.00。第一个暗示质子可分性或质子是一复合物的，是史特恩1937年在史特恩-盖拉赫分子束装置中对质子磁性的测量，不过那时尚未明确。史特恩发现，质子的规一化的无量纲的旋磁比g并不是2，而是

G=（μ/A）（2M/g）≈5

这里，μ、A、M、g分别为粒子的磁矩、角动量矩、质量和电荷。为比较起见，按照上述公式计算了⁴He⁺离子（一个自旋也为1/2的明显的复合物）的|g|值，所得|g|值为14700，远大于狄拉克的值g=2。还有，据此大|g|值，我们得到此原子离子的有效半径约为3×10^-11m。实际上，根据50年代Hofstadter的高能电子散射实验，质子的半径值再次增至B=0.86×10^-15m，大致与超出的g值-?g=3成比例，最近类似的更高能量的研究工作发现，在所谓“不可分的”质子中包含3个夸克。今天，人们以为电子是不可分的原子素，是狄拉克点粒子，其半径R=0，旋磁比g=2.00…。然而，电子究竟是什么？也许它也像质子一样是个复合物。历史可能如质子概念的演变一样再重复一次，它极大地鼓励人们对电子的g因子进行精密测量。

特质素（Geonium）波谱学

曾特别人工制造了亚稳定的似原子特质素，以在最佳条件下研究g因子。该特质素由一个长久地囚禁于超高真空彭宁（Penning）阱，温度达4 K的单电子组成，阱用了一均匀磁场B₀=5 T，及一弱电四极矩场。后者由双曲线电极产生，环带正电，两个帽子带负电，帽子的间距为2Z₀=8 mm，如图1所示。其位函数为：

Φ（xyz）=A（x²+y²-2z²）

A为常数；轴向位阱深度为

D=e[Φ（000）-Φ（00Z₀）]=2eAZ₀²=5eV

阱基本上是磁阱。大磁场主宰着特质素原子的运动。多普勒单边冷却使电子连续地囚禁于阱中心达10个月之久成为可能，该过程使电子吸收能量不足的射频光子，而维持能量平衡所需差额，由被冷却的电子的动能中取出相应大小补足……。

电子究竟有多大？

在各门学科中，从已知现象外推到未知现象是一种由来已久的方法。这样由已知的旋磁比g值，其他接近的狄拉克粒子的半径R，以及我们对电子测得的g值，我试图外推出电子的半径。受Brodsky和Drell理论工作（1990）的鼓励。我在图2所示的坐标域中（纵坐标为|g-2|，横坐标为R/λ_c），分别点出了相应于氦3核、氚核、质子和中子相应的坐标。

其中，λ_c为各种粒子的康普顿波长，由Brodsky和Drell就最简单的电子复合物理论模型给出的关系式为：|g-2|=R/λ_c或

|g- g_Dirac|=（R- R_Dirac）/λ_c

以上关系式惊人地与明显稀少的数据相吻合，甚至对一种非常不同的自旋（1/2）的粒子一如由一个α粒子和一个电子组成的⁴He⁺离子，数据点也不离实线太远。我们由该直线与；|g-2|=1.1×10^-10（相应于Seatle所获得的g数据）直线的交点得到对电子的外推点，再据λ_c=0.39×10^-10cm，推得电子半径为：R≈10^-20cm。

直线|g-2|=1.1×10^-10上的一排X，反映Seattle的g数据的不确定性范围，而上限R<10^-17m，由高能碰撞实验所确定，现行数据的组合似乎与电子结构模型不协调，该模型假定电子有特殊的对称性，预言|g-2|与（R/λ_c）应有如图2中虚线所示的平方关系，即|g-2|≈（R/λ_c）²。这对于以上据之对电子半径作出外推的线性关系是有利的。于是，电子便有了一定的大小和结构。如果人们认为，鉴于g值测量误差大，测得的g值超出值11（6）×10^-11没有意义，那么，这里给出的R≈10^-20cm仍然构成一个重要的新的上限。认为g_点与g_实验紧密相符为量子电动力学的基本理论（其中假定R=0）提供了最具说服力的实验的观点正在改变。此外，Seatle对电子和正子测得的g值近乎一致成了CPT定理或带电粒子镜对称性的最严格的实验。

一个推测

1974年初，萨拉姆（Salam）与其他人提出复合电子及夸克的模型。根据这些建议和我对图2的观测，我把电子视为狄拉克粒子的第三重近似d₃，简单地讲，就是把它视为由三个狄拉克四重近似的粒子所组成。这种处理与先前在正子和质子等亚原子粒子中碰到的情况极为相似，那时、曾分别将之认作d₁和d₂型。说得更详细些，在此实验工作假定中，电子乃由处于深平方阱中具有巨大质量m'=10¹⁰m_e的三个亚夸克d₄组成。不过，它们的质量3 m'几乎完全因强的结合而抵消，最终使电子的相对质量为观测质量m_e，根据Vilenkin理论，宇宙之初，创造了一孤立束缚的宇宙子——反宇宙子对，或总相对性质量/能量近乎为零、寿命时间加长了的宇宙子原子态，V氏理论是关于宇宙珍品自发量阶跃中相对性能量为零的亚稳“空”能态的理论。这种情况中，系统亦自发地从一个态（亚稳态D_s/2能级的离子不加光子）阶跃到另一个具有同一能态的新态（S_1/2基态的离子+光子）。这里引入的“宇宙子原子”仅仅是Lemaitre（1950）的“I' atome primitif”的近代变种，L氏的说法是，世界原子爆炸性的放射性裂变，创立了宇宙，在此世界之初，寿命短的宇宙子原子最初裂变为引力占优势的标准的大中继态，而最后演变为静止质量能量、动能和引力位能加在一块再次为零的态。电子是一个比宇宙子远为复杂的粒子，它由类d'_c的3^c-s宇宙子组成，但只有这种型式的两粒子形成宇宙子世界原子——宇宙溯源于它。

作为结束语，我愿引用Willian Blake的一行诗并加一句可相附比的话：

“——一粒砂中看世界——”

“——一个电子看世界——。”

[Forty-Fourth Annual Symposium on Frequeucy Control，1990]

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·美国华盛顿大学物理教授，1989年度诺贝尔物理学奖获得者之一——译注。