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(yùn)行，最終使得實(shí)驗(yàn)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(gè)大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（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(duì)這臺(tái)真實(shí)的科研設(shè)備產(chǎn)生了濃厚興趣。

圖片來源：新京報(bào)

最近，有網(wǎng)友提出了一個(gè)有趣的問題：“北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)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(xué)事實(shí)嗎？

首先，這個(gè)問題里包含兩個(gè)問題，第一，電子是基本粒子嗎？第二，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)到底在“對(duì)撞”什么？目標(biāo)是做什么？把電子“打碎”了嗎？讓我們從現(xiàn)代物理學(xué)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(gòu)的粒子，在理論上符合一系列由點(diǎn)粒子構(gòu)建的理論的性質(zhì)。目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有顯示電子有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)前看，電子是基本粒子。但不排除在未來實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，目前的認(rèn)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(shí)驗(yàn)如何改變和提高，都發(fā)現(xiàn)不了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也或許不是基本粒子，在未來的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但我們能確定的是，在當(dāng)前的能量下，電子可以被認(rèn)為是基本粒子，或者說，用基本粒子的模型描述電子，由此構(gòu)建的理論能很好地描述我們觀測到的實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(gòu)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(gòu)。

電子被撞碎了嗎？

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

先考慮一個(gè)現(xiàn)象：一個(gè)沒有通電的燈泡里（鎢絲、pn結(jié)）有光子嗎？答案應(yīng)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(gè)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(rèn)為是“無中生有”，只不過這個(gè)過程需要滿足能量守恒、動(dòng)量守恒、電荷守恒等一系列限制條件。

再舉個(gè)粒子，正負(fù)電子湮滅變成一對(duì)光子，在這個(gè)過程中，正負(fù)電子完全消失了，兩個(gè)光子被“憑空產(chǎn)生”了。用大家更熟悉的話說，可以認(rèn)為是“能量產(chǎn)生物質(zhì)”（當(dāng)然，對(duì)于這句話要批判地看待）。這個(gè)過程中也不存在“電子被撞碎了”的過程，更不能認(rèn)為是正負(fù)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(fù)電子對(duì)撞也可以產(chǎn)生三個(gè)光子、四個(gè)光子甚至是更多的光子，那么正負(fù)電子中到底存在多少個(gè)光子呢？

第二，兩個(gè)光子相撞也可以產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)，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(gè)光子相撞也可以產(chǎn)生其它正負(fù)粒子對(duì)，比如正反夸克對(duì)、正反繆子對(duì)，那么光子內(nèi)到底存在什么呢？

第四，一對(duì)正負(fù)電子對(duì)撞后還有可能變成兩對(duì)正負(fù)電子，那多出的一對(duì)正負(fù)電子又是藏在哪呢?

第五，2024年，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)發(fā)布了一個(gè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)疑似“膠球”的粒子，它是由膠子構(gòu)成的，而膠子只參與強(qiáng)相互作用，電子不參與強(qiáng)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(jì)算了。

實(shí)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(jī)會(huì)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(qiáng)相互作用的眾多粒子發(fā)生作用，這個(gè)過程不存在“撞碎”這樣復(fù)合粒子/具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)粒子才有的說法。

粒子相互轉(zhuǎn)化的過程其實(shí)并不能理解，不同的粒子可以理解成不同的態(tài)，在一個(gè)系統(tǒng)中，初始態(tài)經(jīng)過演化后變成另一個(gè)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(rèn)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(dāng)然，對(duì)于非基本粒子的對(duì)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中，其中發(fā)生對(duì)撞的粒子是質(zhì)子-質(zhì)子，如前文所說，質(zhì)子是復(fù)合粒子，在對(duì)撞的時(shí)候，比如說，會(huì)發(fā)生兩個(gè)質(zhì)子內(nèi)的夸克對(duì)撞的情況。在另外一種對(duì)撞——重離子對(duì)撞中（比如位于美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論性離子對(duì)撞機(jī)中），發(fā)生對(duì)撞的是各種各樣的原子核，兩個(gè)原子核對(duì)撞，大量的能量短時(shí)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(huì)被熔化，其內(nèi)部的夸克和膠子都會(huì)被釋放出來，變成所謂的“夸克湯”（學(xué)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(fù)合粒子。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)到底在“對(duì)撞”什么？

作為我國第一個(gè)大科學(xué)裝置，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)1984年10月動(dòng)工興建，1988年10月完成建設(shè)，成功實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)撞，當(dāng)時(shí)被稱為是繼“兩彈一星”后，我國在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就。

對(duì)撞機(jī)埋于地下

圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)到底在“對(duì)撞”什么？正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將電子和正電子儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)，在指定的點(diǎn)上（對(duì)撞機(jī)內(nèi)）對(duì)撞。通過探測正負(fù)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(fù)電子對(duì)撞機(jī)進(jìn)入了重大改造，于2009年7月17日完成驗(yàn)收。改造后的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPCⅡ）在世界同類型裝置中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，成為國際上最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)之一。利用北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的同步輻射裝置，中國科學(xué)家也取得了眾多國際一流的研究成果。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)作為我國重要的科研設(shè)施，不僅為探索微觀世界的奧秘提供了強(qiáng)大工具，也展現(xiàn)了人類對(duì)自然規(guī)律的深刻理解。正負(fù)電子的對(duì)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(dòng)態(tài)聯(lián)系，體現(xiàn)了量子世界的奇妙特性。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我們或許發(fā)現(xiàn)更多的基本粒子，科學(xué)探索的腳步永不停歇。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的每一次實(shí)驗(yàn)，都是人類向物質(zhì)深處發(fā)出的追問，也是我們對(duì)真理不懈追求的見證。