电子有内部结构吗？它真是一个点吗？

以下文章来源于物含妙理，作者薛德堡

电子有大小吗？如果有，它的半径是多少？

这是现代理论物理学中的一个难题，本文试图从经典电磁学到量子力学，给出一点科普解读。

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经典半径的计算

如果你没学过量子场论，但好好学过经典电磁学和狭义相对论，那这个问题应该难不倒你，具体计算过程如下。

假定它是一个半径为

的小球，电荷

均匀分布在球内部，球内外磁导率都是

。

根据高斯定理，它的电场为

根据电场能量

取体积元

，则电子静电能为

结果为

若电子的电荷只是分布在球体表面上，则电场为

则上述结果为

这里的

和

是两个系数，反映了电荷分布的影响，假设更一般的系数用

表示，则电子的静电能可表示为

根据狭义相对论，电子的质能可表示为

，其中

为电子的静止质量，

是光速。若假设电子的质能等于它的静电能，则有

则得电子的半径为

取系数

，代入电子质量、光速和电子电量值，得电子的半径为

这个值被称为电子的经典半径（classical electron radius），是文献中最常提到的电子半径估计值。

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违反相对论？

这个值，曾导致历史上一个著名的“矛盾事件”，荷兰物理学家洛伦兹认为这违反了狭义相对论，具体是怎么回事呢？

根据量子力学，电子自旋量子数为1/2，它的自旋角动量为

其中

，

为普朗克常数。

而根据球体的假设，电子的转动惯量为

则它的自转角动量为

其中

是电子的赤道处的自转线速度。

如果认为

，可得

的值为

显然是远远超过光速值。

据此，洛伦兹最初认为电子自旋的想法是错误的，或者，电子的自旋不可能有

的量级。

但随后，狄拉克通过相对论和量子力学的结合，从理论上得到电子的自旋的确是

，说明所谓“自旋违反相对论”是不存在的。

于是，人们又反过来认为，电子是球体的假设是不对的，电子既然不可能是一个球体，当然也就没有所谓的半径了。

但是，上面这种推理本身的出发点是错误的，自旋并不是真实的转动，实际上，自旋是粒子的一种内禀的性质，并非是一种转动。当然也就无法说明电子不是球体了。

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量子场论的观点

然而，若你学过量子场论，你会觉得，讨论电子大小这件事有点莫名其妙。

因为按照量子场论，电子是狄拉克场的量子化激发，电子的所谓“尺寸”可认为是波函数的弥散或膨胀，显然，讨论它的大小是没有意义的。

根据现代粒子物理学，电子是12种轻子之一（考虑电性），属于基本粒子，所有基本粒子都被认为是点粒子，也就是说，它们都是没有大小的。

但对绝大多数人来说，他们不能理解这种观点，既然电子是一个物体，怎么会没有大小呢？没有大小的话，那还算存在吗？所以它必须有大小。

对于学过普通物理学的大学生来说，电子若是一个没有大小的点，那会导致一系列无法解释的问题。

一方面，如果它没有小，那它怎么会有质量？

因为这样会导致电子的密度无限大，这不成了奇点嘛！奇点让人不禁想起黑洞，难道电子是一个黑洞不成？

实际上，的确有人提出，基本粒子可能是一个个的小黑洞，并且还会导致许多有趣的物理问题，当然涉及引力的量子化问题，此处不表。

另一方面，如果电子没有大小，那电荷怎么存在？

因为同种电荷被完全集中在一个点上，会产生无限大的排斥力，从而导致无限大的能量，这是不可能的！

当然，学过量子力学的你可能会说：库仑力是建立在点电荷模型上的，在电子那么小的尺寸范围，经典的电磁学规律不再适用了，需要考虑量子力学，或许就不会导致那么大的力了吧？

没错，电磁场的的量子化理论——量子电动力学，通过重整化的方法，解决了这个问题，带来的后果是：电子还是一个点，不用再担心能量无限大的问题了。

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电子的半径到底是多少？

但是，仍然有很多人相信，点粒子只是一种理想化模型，实际的电子不可能只是一个点，它应该有大小。

显然，对这种观点，简单地用量子场论来反驳是无济于事的。

物理最终是靠实验说话的，所以，物理学家试图通过实验来获得电子的大小。

人们利用一种叫Penning阱的设备，精确地测量了电子的磁矩，得到电子的半径上限是10-22米，也就是说，电子的半径就算真的存在，也不会超过这个值。

柱状的Penning阱

而这个值，比电子的经典半径小太多太多了，说明经典物理对电子半径问题的处理是错误的，更不能说明电子有大小。

那么，电子真的是一个点吗？还是有复杂的内部结构？

按照狄拉克方程的结果，电子的自旋和磁矩之间的关系为

其中朗德因子

。

但是，实验研究表明，朗德因子并不严格等于2。

这个问题源于电子自能作用和真空极化，量子电动力学完美地解决了这个问题，得到电子的磁矩的理论值与实验值符合得非常好——精度达到小数点后10位。

然而，这件事更重要的意义是，它同时也说明，电子不可能是一个点电荷，因为理论上，点电荷的朗德因子必然是整数。

那你可能想，那电子是由点电荷组成的吗？

也不是！因为每个点电荷的朗德因子是整数，合在一起得到的还是整数。但现在不是整数，说明电子不仅不是点电荷，也不是简单的点电荷体系。

所以，正如很多人想的那样，电子不是一个点，它有内部结构。

然而，电子内部到底是什么样子？目前还是一无所知。

参考资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Penning_trap王正行，《近代物理学》第二版，北京大学出版社，2010年5月

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来源：物含妙理

编辑：东君

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