智慧之窗: (科學與信仰) 電子的故事

2014年2月
文／黃小石

如果說「希格斯玻色子」是人類到現在為止最新發現的「基本粒子」，那麼電子則是科學家最早發現的基本粒子。

◎性質與由來

電子到處都是，每個水分子中便有10個電子，所以一小杯水中就有1億億億個電子！而且所有的電子都有完全一樣的質量，帶有完全一樣多的電荷。當兩個電子靠近，便不能分辨它們。

電子是穩定的粒子，但人類直到一百多年前的1897年，才在英國劍橋的一座小實驗室裡，由一、兩個人發現它的存在。電子不同於原子核中的質子和中子，質子與中子由其他粒子組成，而電子卻是不能分割的物質單元。按字義來說，它才應當被稱為「原子」才對。

電子既是人看不見、極微小的物質，那麼我們又怎麼知道它真的存在？雖然無數電器用品都已見證它的存在，但要確切地證明並認識它的本質，卻不是一件簡單的事。

電子既然不能直接觀察而得，便只能從其所產生的效應來推想其存在。電子會產生電場，電流能產生磁場，這稱為電磁現象。

電磁現象是人類早就有所聞的事。比方說，中國東漢時期的科學家王充，在《論衡》中便有「頓牟掇芥、磁石引針」的說法。頓牟就是琥珀，「頓牟掇芥」是指以皮摩擦琥珀，便能拾起草芥之類的小東西。

古希臘人也知道這一現象，所以「電(Ele ctricity)」這個字便出於琥珀的希臘文「ήλεκτρον(ēlektron)」。18世紀，美國的富蘭克林以雷雨中的風箏實驗，發現閃電也與「電」有關。

但是我們怎麽知道這種電是個「子」？

1650年，名叫格里克的德國馬德堡市市長，發明了真空泵，可將密封空間裡的空氣抽出來；他把一對銅製半球中的空氣抽空，結果這兩個中間含著真空的半球，被大氣壓緊緊壓住，用兩組各15匹馬的馬隊也不能把它們拉開。這便是著名的馬德堡半球。

200年後，人類科學的進展卻與真空大有關聯。1870年，英國化學家克魯克斯在密封的玻璃管內裝入電極，再將其中的空氣抽出，即現在所稱的「陰極管」；1835年，英國物理學家法拉第已知電流可以通過真空管產生螢光，這便是「陰極線」。

英國物理學家約瑟夫‧湯姆森，1897年藉「陰極管」實驗，首先發現「陰極線」是由帶負電的粒子組成，並藉著磁場效應測量出粒子電荷與質量的比例，湯姆森稱這粒子為「電子」。

1909年，美國物理學家羅伯特‧密立根，做了著名的「油滴實驗」，巧妙地藉著重力與電力的平衡，測量出電子所帶的電荷約為1.6×10-19庫侖。從電荷與質量的比例，我們可以導出電子的質量約為9.1×10-31公斤，比原子核中的質子輕 1830倍。

雖然電子被稱為「基本粒子」，但後來卻發現它又是一種地道的波動。物質粒子要是在一個地方，便不能同時又在另一地方，但波動必然得散佈在廣大的地方。這源於法國物理學家路易‧德布羅意提出的電子波動說。他認為，愛因斯坦既能以光波是種「粒子」來解釋光電效應，那麼物質粒子也可看為一種波動。

1927年，英國物理學家約瑟夫‧湯姆森的兒子喬治‧湯姆森用金屬薄膜，美國貝爾實驗室的物理學家柯林頓‧ 戴維森和雷斯特‧革末用鎳晶體，分別將電子波干擾現象 (Interference Phenomena)顯示於偵測屏幕，證明電子惟有波動才具有的干擾效應。

我們知道原子核約有10-13公分大小，而電子又比原子核小得多。有些物理學家甚至認為，電子是沒有大小的「質點」，即使用現代最高明的測量方法，頂多只能說電子的半徑小於1萬億億公分，這已小得不能再小了。

電子若是沒有大小，那麼它的電是怎麼分佈的？其角動量、自轉、磁矩等性質又是什麼意思？它們是哪裡來的？雖然我們認識電子已有一百多年，但它似乎比我們剛發現它的時候更神秘了。赫胥黎說得好：「科學什麼都沒有解釋，我們知道得愈多，這世界便變得愈荒唐，四周的黑暗也變得愈深沉了。」

這還只不過是電子故事的開始，它告訴我們：人的智慧十分有限，惟有帶著敬畏的心，才可稍微窺見上帝的造物奇觀。