電子能被撞碎嗎？——北京正負電子對撞機的物理真相

出品：科普中國

作者：子乾（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

在科幻電視劇《三體》中，“三體人”通過自己的科技影響了地球上粒子加速器的運行，最終使得實驗的結(jié)果變得毫無規(guī)律可言，電視劇中出現(xiàn)的粒子加速器就是我國第一個大科學裝置——北京正負電子對撞機（BEPC）。這一情節(jié)不僅展現(xiàn)了科幻作品的想象力，也讓更多人對這臺真實的科研設備產(chǎn)生了濃厚興趣。

圖片來源：新京報

最近，有網(wǎng)友提出了一個有趣的問題：“北京正負電子對撞機是否通過“打碎電子”來發(fā)現(xiàn)了新的基本粒子，從而說明電子不是基本粒子，而是打碎出的碎片組成的？”這種說法聽起來似乎有道理，但它真的符合科學事實嗎？

首先，這個問題里包含兩個問題，第一，電子是基本粒子嗎？第二，北京正負電子對撞機到底在“對撞”什么？目標是做什么？把電子“打碎”了嗎？讓我們從現(xiàn)代物理學的角度，揭開這一問題的真相。

電子是基本粒子嗎？

基本粒子就是沒有內(nèi)部結(jié)構的粒子，在理論上符合一系列由點粒子構建的理論的性質(zhì)。目前的實驗結(jié)果并沒有顯示電子有任何內(nèi)部結(jié)構，所以當前看，電子是基本粒子。但不排除在未來實驗中發(fā)現(xiàn)電子內(nèi)部結(jié)構，目前的認知都是在特定條件下的。

所以，電子或許是基本粒子，不管未來實驗如何改變和提高，都發(fā)現(xiàn)不了內(nèi)部結(jié)構，也或許不是基本粒子，在未來的實驗中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構。但我們能確定的是，在當前的能量下，電子可以被認為是基本粒子，或者說，用基本粒子的模型描述電子，由此構建的理論能很好地描述我們觀測到的實驗現(xiàn)象。

除了電子，我們常見的光子是基本粒子，這兩年大火的中微子是基本粒子。構成原子核的質(zhì)子和中子不是基本粒子，它們是由夸克和膠子構成的，而夸克和膠子則是基本粒子。

另外，大家耳熟能詳?shù)南８袼沽Ｗ幽壳耙矝]有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構。

電子被撞碎了嗎？

在北京正負電子對撞機中，正負電子對撞，產(chǎn)生了大量的其它粒子，在這個過程中，電子被撞碎了嗎？如果沒有，為什么會有非正負電子的粒子出現(xiàn)呢？是不是只有被撞碎才會有新的粒子出現(xiàn)呢？

先考慮一個現(xiàn)象：一個沒有通電的燈泡里（鎢絲、pn結(jié)）有光子嗎？答案應該是否定的。但是我們一通電，就有源源不斷地光子從中發(fā)射出來，只要燈泡不壞、電能持續(xù)，光子就永不停歇地涌出來。這個過程中燈泡中的任何物質(zhì)或者粒子都沒有被撞碎，但是光子就是產(chǎn)生了，可以認為是“無中生有”，只不過這個過程需要滿足能量守恒、動量守恒、電荷守恒等一系列限制條件。

再舉個粒子，正負電子湮滅變成一對光子，在這個過程中，正負電子完全消失了，兩個光子被“憑空產(chǎn)生”了。用大家更熟悉的話說，可以認為是“能量產(chǎn)生物質(zhì)”（當然，對于這句話要批判地看待）。這個過程中也不存在“電子被撞碎了”的過程，更不能認為是正負電子內(nèi)藏著光子。

這里可以考慮反例，以此反駁“電子內(nèi)有光子”這樣的說法：

第一，正負電子對撞也可以產(chǎn)生三個光子、四個光子甚至是更多的光子，那么正負電子中到底存在多少個光子呢？

第二，兩個光子相撞也可以產(chǎn)生正負電子對，那么到底是光子內(nèi)有電子，還是電子內(nèi)有光子呢？

第三，兩個光子相撞也可以產(chǎn)生其它正負粒子對，比如正反夸克對、正反繆子對，那么光子內(nèi)到底存在什么呢？

第四，一對正負電子對撞后還有可能變成兩對正負電子，那多出的一對正負電子又是藏在哪呢?

第五，2024年，北京正負電子對撞機發(fā)布了一個結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了一個疑似“膠球”的粒子，它是由膠子構成的，而膠子只參與強相互作用，電子不參與強相互作用，如果電子內(nèi)藏膠子，這豈不是矛盾嗎？

……

這樣的過程有很多，而且多種多樣，如果用“電子內(nèi)有其它粒子”、“電子被打碎后重組”就難以解釋，更不用說定量地計算了。

實際上，根據(jù)目前量子場論的研究，只要粒子之間存在相互作用，不管是直接還是間接的，就都有機會相互轉(zhuǎn)化，只要條件合適。電子不僅與光子有相互作用，還可以通過弱相互作用與中微子相互作用，還可以通過電磁相互作用變成夸克后與其它參與強相互作用的眾多粒子發(fā)生作用，這個過程不存在“撞碎”這樣復合粒子/具有內(nèi)部結(jié)構粒子才有的說法。

粒子相互轉(zhuǎn)化的過程其實并不能理解，不同的粒子可以理解成不同的態(tài)，在一個系統(tǒng)中，初始態(tài)經(jīng)過演化后變成另一個態(tài)，是非常正常的一件事。比如說，電子自旋向上的態(tài)，你給踢一腳，變成自旋向下的態(tài)，就可以認為是“上電子”變成了“下電子”，但是不能理解為“上電子”內(nèi)藏“下電子”。

當然，對于非基本粒子的對撞，是存在被打碎、碎片重組的情況，這樣的現(xiàn)象存在于大型強子對撞機（LHC）中，其中發(fā)生對撞的粒子是質(zhì)子-質(zhì)子，如前文所說，質(zhì)子是復合粒子，在對撞的時候，比如說，會發(fā)生兩個質(zhì)子內(nèi)的夸克對撞的情況。在另外一種對撞——重離子對撞中（比如位于美國布魯克海文國家實驗室的相對論性離子對撞機中），發(fā)生對撞的是各種各樣的原子核，兩個原子核對撞，大量的能量短時間內(nèi)被沉積在原子核這么大的區(qū)域內(nèi)，溫度迅速升高，原子核、質(zhì)子、中子也都會被熔化，其內(nèi)部的夸克和膠子都會被釋放出來，變成所謂的“夸克湯”（學名叫做“夸克膠子等離子體”），之后體系膨脹降溫，夸克膠子重新組合變成各種各樣的復合粒子。

北京正負電子對撞機到底在“對撞”什么？

作為我國第一個大科學裝置，北京正負電子對撞機1984年10月動工興建，1988年10月完成建設，成功實現(xiàn)正負電子對撞，當時被稱為是繼“兩彈一星”后，我國在高科技領域又一重大突破性成就。

對撞機埋于地下

圖片來源：中國科學院高能物理研究所

北京正負電子對撞機到底在“對撞”什么？正負電子對撞機將電子和正電子儲存在環(huán)形的高真空管道內(nèi)，使之以接近光速的速度沿相反方向運動，在指定的點上（對撞機內(nèi)）對撞。通過探測正負電子碰撞后的產(chǎn)物來尋找新粒子以及研究各種粒子的性質(zhì)。

從2004年開始，北京正負電子對撞機進入了重大改造，于2009年7月17日完成驗收。改造后的北京正負電子對撞機（BEPCⅡ）在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領先地位，成為國際上最先進的雙環(huán)對撞機之一。利用北京正負電子對撞機的同步輻射裝置，中國科學家也取得了眾多國際一流的研究成果。

北京正負電子對撞機作為我國重要的科研設施，不僅為探索微觀世界的奧秘提供了強大工具，也展現(xiàn)了人類對自然規(guī)律的深刻理解。正負電子的對撞并非“打碎”電子，而是通過能量轉(zhuǎn)化創(chuàng)造出新的粒子，這一過程揭示了物質(zhì)與能量的動態(tài)聯(lián)系，體現(xiàn)了量子世界的奇妙特性。未來，隨著科學技術的進步，我們或許發(fā)現(xiàn)更多的基本粒子，科學探索的腳步永不停歇。北京正負電子對撞機的每一次實驗，都是人類向物質(zhì)深處發(fā)出的追問，也是我們對真理不懈追求的見證。