較真物理學(xué)名詞：量子物理中的微觀粒子

在創(chuàng)造專有名詞時(shí)，一個(gè)原則是要揭示事物的本質(zhì)或指出其最重要的特性。新生事物剛出現(xiàn)的時(shí)候，科學(xué)家根據(jù)當(dāng)時(shí)的理解而命名之。然而，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，在有些情況下，最初的理解不一定正確，所用的名詞容易造成曲解。但由于該名詞已經(jīng)被人們廣泛使用，要改過來就不容易了。筆者將對(duì)物理學(xué)中的一些重要名詞作一番“咬文嚼字”，細(xì)究其詞義，探討背后深刻的物理含義。

——作者

撰文 | 陳少豪（美國麻省理工學(xué)院）

量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)最偉大的成就之一。量子力學(xué)中有很多經(jīng)典物理中沒有的概念，有些甚至違反人們的直覺。然而，正是引入這些看起來奇異的概念，才能準(zhǔn)確有效地解釋微觀世界的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)展出量子場論。在現(xiàn)代物理中，量子場論成為描述微觀粒子的基本理論。

量子物理中的很多概念與人們在日常生活中的所見所聞相去甚遠(yuǎn)，要用恰當(dāng)?shù)膶Ｓ忻~描述這些概念并非易事。本文將基于量子力學(xué)與量子場論，考究與微觀粒子相關(guān)的一些物理名詞，探討其物理含義。

原子可以分割

人們?nèi)粘Ｋ姷暮暧^物體由原子或分子構(gòu)成。19世紀(jì)初，化學(xué)家道爾頓建立原子論，認(rèn)為物質(zhì)世界的最小單位是原子，原子在化學(xué)變化中保持不變。分子（Molecule）是由多個(gè)原子通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起而形成的?；瘜W(xué)反應(yīng)的本質(zhì)就是分子分解為原子再重新結(jié)合成新的分子。

原子的英文是Atom，來源于希臘語，其本意是單一的、不可分割的。中文的“原”是象形字，本意是水流的發(fā)源地，后來寫作“源”。原字的抽象意義是最初的、本來的，指事物的開始或根源，也可指原始的東西。例如，原料的意思是未經(jīng)人為改變過的東西。中文的原子與英文的Atom在詞義上相符合。

20世紀(jì)，隨著近代物理實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部還有結(jié)構(gòu)，是可以分割的。原子由原子核（Nucleus）和電子（Electron）構(gòu)成，原子核在中心，電子分布在原子核周圍。盡管原子的物理含義發(fā)生了變化，但不論是英文的Atom還是中文的原子這個(gè)詞早已被廣泛運(yùn)用，因此也就一直沿用下來了。

基本粒子不可分割、沒有形狀

原子核也可以分割。原子核由質(zhì)子（Proton）和中子（Neutron）構(gòu)成。質(zhì)子和中子可以進(jìn)一步分割，它們由夸克（Quark）構(gòu)成?？淇撕碗娮邮亲罨镜牧Ｗ?。構(gòu)成物質(zhì)的最小或最基本的單元稱為基本粒子（Elementary Particle）?；玖Ｗ硬豢煞指?。

圖1: 原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，中子、質(zhì)子由夸克構(gòu)成。

根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，基本粒子可以分為費(fèi)米子（Fermion）和玻色子（Boson）兩大類。費(fèi)米子的自旋為半整數(shù)，玻色子的自旋為整數(shù)，分別以物理學(xué)家費(fèi)米、玻色命名（自旋是基本粒子的內(nèi)稟屬性，這將在后面討論）。

按照粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model），世間萬物皆由三代基本費(fèi)米子構(gòu)成。例如，夸克、輕子（Lepton）都是最基本的費(fèi)米子。電子是輕子的一種?？淇说挠⑽脑馐且环N海鷗的叫聲，其發(fā)現(xiàn)者蓋爾曼從文學(xué)作品中得到靈感而用這個(gè)詞來命名。三個(gè)夸克構(gòu)成重子（Baryon）。重子因質(zhì)量比輕子大很多而得名。質(zhì)子和中子都屬于重子。一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克構(gòu)成介子。介子的英文單詞Meson源自希臘語的Mesos，是中間的意思。其發(fā)現(xiàn)者湯川秀樹之所以用Meson命名，是因?yàn)榻樽拥馁|(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間。

自然界有四種基本相互作用，從強(qiáng)到弱依次是：強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力。傳遞相互作用的基本粒子稱為“規(guī)范玻色子”（Gauge Boson）?！安Ｉ印钡囊馑际钦f自旋為整數(shù)，而“規(guī)范”則是因?yàn)榕c楊-米爾斯規(guī)范場理論有關(guān)。

例如，膠子（Gluon）是傳遞強(qiáng)相互作用的基本粒子。“膠”（Glue）字形象地描述了強(qiáng)相互作用將夸克緊密地“粘”在一起，從而構(gòu)成重子或介子。重子和介子因此統(tǒng)稱為強(qiáng)子（Hadron）。原子核中的質(zhì)子具有正電荷，質(zhì)子之間有電磁排斥力，正是通過膠子傳遞強(qiáng)相互作用才能將質(zhì)子“粘”在一起。

光子也是一種基本粒子。光子的英文是Photon，在希臘語里是光的意思。1926年，物理化學(xué)家吉爾伯特·路易斯首次使用Photon這個(gè)詞來命名光的載子。后來這個(gè)術(shù)語被學(xué)術(shù)界廣泛采用。由于光是一種電磁波，也是最常見的電磁波，因此光子（即Photon）的詞義被進(jìn)一步拓展，物理學(xué)家用它來命名傳遞電磁相互作用的基本粒子。

光子這個(gè)詞讓人直觀地認(rèn)為其具有粒子性。光子確實(shí)具有粒子性，這被光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。然而，光子同時(shí)也具有波動(dòng)性，這被楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)。波動(dòng)性這個(gè)特征并沒有反映在“光子”這個(gè)詞上。作者認(rèn)為，將傳遞電磁相互作用的基本粒子命名為“電磁元”比“光子”更能反映其物理含義。

中文的“粒子”這個(gè)詞容易讓人聯(lián)想起宏觀世界中的固體顆粒，讓人直觀地以為粒子是有形狀的?？赡苡腥藭?huì)問，電子是什么形狀的？質(zhì)子是什么形狀的？是不是球狀的？答案是：基本粒子沒有形狀。

粒子的英文是Particle，其詞義是不可分割的基本單元。至于這個(gè)基本單元是什么形狀，甚至是否有形狀，與Particle的詞義沒任何關(guān)系。根據(jù)量子場論，基本粒子是量子場的一個(gè)最小能量單元。這是一個(gè)抽象概念，不像宏觀物體那樣有具體形狀。因此，將Particle翻譯成“基元”（即基本的能量單元），比“粒子”更為確切。

原子軌道無軌跡

微觀世界很多新的事物剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)，人們習(xí)慣從熟知的宏觀世界中借用已有的術(shù)語來命名之。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們才逐漸發(fā)現(xiàn)這些事物的本質(zhì)與原先的理解并不一致，原有的術(shù)語不能很好地描述其真正含義。一個(gè)有名的例子是“原子軌道”。

在宏觀世界，物體按照牛頓力學(xué)定律沿著一定的軌跡（Trajectory）運(yùn)動(dòng)。如果這個(gè)軌跡是確定的，通常被稱為軌道（Orbit）。例如，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，其軌道為橢圓形。在微觀世界，情況則有所不同。舉個(gè)例子，電子剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)，人們按照習(xí)以為常的經(jīng)典力學(xué)觀念，認(rèn)為電子的運(yùn)動(dòng)具有軌跡，就像地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的橢圓軌道一樣，電子也是沿著一個(gè)圍繞原子核的橢圓軌道轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，這個(gè)基于經(jīng)典力學(xué)的模型有著嚴(yán)重的缺陷，它不能解釋為什么加速運(yùn)動(dòng)的帶電的電子不向外輻射能量。

量子力學(xué)建立后，電子由波函數(shù)描述，波函數(shù)的模方代表電子在空間出現(xiàn)的概率。原子中的電子處于束縛態(tài)（Bound state），這是微觀世界的一種量子態(tài)，不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。束縛態(tài)的電子像“云”（Cloud）一樣分布在原子核周圍，沒有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。以氫原子為例，基態(tài)電子的概率分布是球狀的，第一激發(fā)態(tài)電子的概率分布是啞鈴狀的，與經(jīng)典物體的橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡完全不同。根據(jù)不確定性原理，電子的位置和動(dòng)量不可同時(shí)被測量，也就是說，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡是不確定的，沒有運(yùn)動(dòng)軌道。

由此可見，用軌道即Orbit來描述電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不合適的。1932年，化學(xué)家羅伯特·馬利肯提出以O(shè)rbital取代Orbit。這個(gè)提法被廣泛接受，在現(xiàn)今的英文教科書和文獻(xiàn)中，用Atomic Orbital來表示原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，簡稱為Orbital。在中文文獻(xiàn)中，一般仍將Atomic Orbital翻譯為原子軌道。值得注意的是，Orbital與Orbit的詞義并不相同。Orbit是指經(jīng)典物理中所說的宏觀物體的運(yùn)動(dòng)軌道。Orbital本來是由Orbit演化而來的形容詞，本意是指與軌道相關(guān)的。但是，當(dāng)Orbital作為名詞使用時(shí)，特指量子力學(xué)中的原子軌道，其真實(shí)意思是束縛態(tài)電子的空間分布模式（Pattern），與經(jīng)典運(yùn)動(dòng)軌道完全不同。作者認(rèn)為，將Orbital翻譯成“束縛模式”比“軌道”更合理。Orbital也可以理解為電子在空間出現(xiàn)概率較大的區(qū)域，因此有些文獻(xiàn)翻譯為“軌域”。還有些文獻(xiàn)將Orbital翻譯為“軌態(tài)”，意指一種量子束縛態(tài)?？上У氖?，這些說法都沒有被廣泛采用。

圖2：氫原子基態(tài)的電子。左圖：根據(jù)經(jīng)典物理，電子是一個(gè)小球，沿著橢圓形軌道圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)。這是錯(cuò)誤的圖像。右圖：根據(jù)量子力學(xué)，電子沒有具體形狀，也沒有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡，而是像“云”一樣分布在原子核周圍，呈球?qū)ΨQ分布。這是正確的圖像。

由于在中文文獻(xiàn)中原子軌道這個(gè)詞已被廣泛采用，下面仍然沿用這一說法，以免造成混淆。原子中的電子由軌道波函數(shù)（Orbital Wavefunction）描述。軌道波函數(shù)由三個(gè)量子數(shù)確定，即主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)，分別代表電子的能級(jí)、角動(dòng)量、軌道取向。角動(dòng)量量子數(shù)為0，1，2，3，分別對(duì)應(yīng)s軌道、p軌道、d軌道、f軌道。這些名稱源于對(duì)原子光譜特征譜線外觀的描述，分別為銳系（Sharp）光譜、主系（Principal）光譜、漫系（Diffuse）光譜、基系（Fundamental）光譜。

自旋不是旋轉(zhuǎn)

另一個(gè)從宏觀世界借用來描述微觀事物的術(shù)語是“自旋”（Spin）。自旋是量子力學(xué)中一個(gè)容易讓人曲解的概念。

1924年，泡利提出了著名的泡利不相容原理，即沒有兩個(gè)電子可以在同一時(shí)間處在相同的量子態(tài)。為了使得這個(gè)原理成立，泡利給電子引入一個(gè)新的自由度，稱之為“雙值量子自由度”（Two-valued Quantum Degree of Freedom）。但是泡利沒能說明這個(gè)“自由度”對(duì)應(yīng)的物理實(shí)在是什么。

1925年，由克勒尼希、烏倫貝克與古德斯米特提出，這個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的是電子自旋（Spin）。按照經(jīng)典物理的圖像，將電子假想為一個(gè)帶電的球體，其自轉(zhuǎn)具有角動(dòng)量，產(chǎn)生一個(gè)磁場，從而解釋了在外磁場中原子能級(jí)分裂的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

然而，這個(gè)基于宏觀物體自轉(zhuǎn)的解釋卻有很大的問題。宏觀物體的自轉(zhuǎn)（英文也是Spin）是指相對(duì)自身的某個(gè)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，例如地球的自轉(zhuǎn)。后來隨著量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，理論和實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為，基本粒子（包括電子）是不可分割的點(diǎn)粒子，沒有軸，因此宏觀物體的自轉(zhuǎn)無法直接套用到微觀粒子的自旋。

微觀粒子的自旋只能用量子力學(xué)去解釋。量子力學(xué)認(rèn)為，自旋與質(zhì)量、電量一樣，是基本粒子的內(nèi)稟屬性。自旋的運(yùn)算規(guī)則類似于經(jīng)典力學(xué)的角動(dòng)量，也能產(chǎn)生一個(gè)磁場，但本質(zhì)上與經(jīng)典力學(xué)中的自轉(zhuǎn)是不同的。自旋并不是指粒子自身在“旋轉(zhuǎn)”（Rotating），而是粒子與生俱來的一種“內(nèi)稟角動(dòng)量”（Intrinsic Angular Momentum）。內(nèi)稟的意思是說，自旋的取值只依賴于粒子的種類，不能被外部作用所改變。自旋的數(shù)值是量子化的，用自旋量子數(shù)描述。例如，電子的自旋量子數(shù)為1/2，光子的自旋量子數(shù)為1。

與自旋類似的概念是同位旋（Isospin）。同位旋是與強(qiáng)相互作用相關(guān)的量子數(shù)，用來區(qū)分處在不同電荷狀態(tài)的粒子，例如質(zhì)子和中子。同位旋是一個(gè)無量綱的物理量，不具有角動(dòng)量的單位，因此與經(jīng)典物理中的旋轉(zhuǎn)一點(diǎn)關(guān)系都沒有。之所以叫做“同位旋”，僅僅是因?yàn)槠鋽?shù)學(xué)描述與自旋很類似。

作者簡介

陳少豪，清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士，清華大學(xué)原子分子物理博士，曾為美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校博士后研究員，先后在路易斯安那州立大學(xué)、波士頓大學(xué)任職，現(xiàn)在就職于麻省理工學(xué)院，從事高性能計(jì)算工作。

本文受科普中國·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

特 別 提 示

1. 進(jìn)入『返樸』微信公眾號(hào)底部菜單“精品專欄“，可查閱不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)四位數(shù)組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權(quán)說明：歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)，任何形式的媒體或機(jī)構(gòu)未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載和摘編。轉(zhuǎn)載授權(quán)請(qǐng)?jiān)凇阜禈恪刮⑿殴娞?hào)內(nèi)聯(lián)系后臺(tái)。