较真物理学名词：量子物理中的微观粒子

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在创造专有名词时，一个原则是要揭示事物的本质或指出其最重要的特性。新生事物刚出现的时候，科学家根据当时的理解而命名之。然而，随着科学的不断发展，在有些情况下，最初的理解不一定正确，所用的名词容易造成曲解。但由于该名词已经被人们广泛使用，要改过来就不容易了。笔者将对物理学中的一些重要名词作一番“咬文嚼字”，细究其词义，探讨背后深刻的物理含义。

——作者

撰文 | 陈少豪（美国麻省理工学院）

量子力学是20世纪物理学最伟大的成就之一。量子力学中有很多经典物理中没有的概念，有些甚至违反人们的直觉。然而，正是引入这些看起来奇异的概念，才能准确有效地解释微观世界的实验现象。在量子力学的基础上，物理学家进一步发展出量子场论。在现代物理中，量子场论成为描述微观粒子的基本理论。

 

量子物理中的很多概念与人们在日常生活中的所见所闻相去甚远，要用恰当的专有名词描述这些概念并非易事。本文将基于量子力学与量子场论，考究与微观粒子相关的一些物理名词，探讨其物理含义。

原子可以分割

人们日常所见的宏观物体由原子或分子构成。19世纪初，化学家道尔顿建立原子论，认为物质世界的最小单位是原子，原子在化学变化中保持不变。分子（Molecule）是由多个原子通过化学键结合在一起而形成的。化学反应的本质就是分子分解为原子再重新结合成新的分子。

 

原子的英文是Atom，来源于希腊语，其本意是单一的、不可分割的。中文的“原”是象形字，本意是水流的发源地，后来写作“源”。原字的抽象意义是最初的、本来的，指事物的开始或根源，也可指原始的东西。例如，原料的意思是未经人为改变过的东西。中文的原子与英文的Atom在词义上相符合。

 

20世纪，随着近代物理实验和理论的发展，物理学家发现原子内部还有结构，是可以分割的。原子由原子核（Nucleus）和电子（Electron）构成，原子核在中心，电子分布在原子核周围。尽管原子的物理含义发生了变化，但不论是英文的Atom还是中文的原子这个词早已被广泛运用，因此也就一直沿用下来了。

基本粒子不可分割、没有形状

原子核也可以分割。原子核由质子（Proton）和中子（Neutron）构成。质子和中子可以进一步分割，它们由夸克（Quark）构成。夸克和电子是最基本的粒子。构成物质的最小或最基本的单元称为基本粒子（Elementary Particle）。基本粒子不可分割。

图1: 原子内部结构。原子由原子核和电子构成，原子核由质子和中子构成，中子、质子由夸克构成。

 

根据量子统计理论，基本粒子可以分为费米子（Fermion）和玻色子（Boson）两大类。费米子的自旋为半整数，玻色子的自旋为整数，分别以物理学家费米、玻色命名（自旋是基本粒子的内禀属性，这将在后面讨论）。

 

按照粒子物理的标准模型（Standard Model），世间万物皆由三代基本费米子构成。例如，夸克、轻子（Lepton）都是最基本的费米子。电子是轻子的一种。夸克的英文原意是一种海鸥的叫声，其发现者盖尔曼从文学作品中得到灵感而用这个词来命名。三个夸克构成重子（Baryon）。重子因质量比轻子大很多而得名。质子和中子都属于重子。一个夸克和一个反夸克构成介子。介子的英文单词Meson源自希腊语的Mesos，是中间的意思。其发现者汤川秀树之所以用Meson命名，是因为介子的质量介于电子与质子之间。

 

自然界有四种基本相互作用，从强到弱依次是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力。传递相互作用的基本粒子称为“规范玻色子”（Gauge Boson）。“玻色子”的意思是说自旋为整数，而“规范”则是因为与杨-米尔斯规范场理论有关。

 

例如，胶子（Gluon）是传递强相互作用的基本粒子。“胶”（Glue）字形象地描述了强相互作用将夸克紧密地“粘”在一起，从而构成重子或介子。重子和介子因此统称为强子（Hadron）。原子核中的质子具有正电荷，质子之间有电磁排斥力，正是通过胶子传递强相互作用才能将质子“粘”在一起。

 

光子也是一种基本粒子。光子的英文是Photon，在希腊语里是光的意思。1926年，物理化学家吉尔伯特·路易斯首次使用Photon这个词来命名光的载子。后来这个术语被学术界广泛采用。由于光是一种电磁波，也是最常见的电磁波，因此光子（即Photon）的词义被进一步拓展，物理学家用它来命名传递电磁相互作用的基本粒子。

 

光子这个词让人直观地认为其具有粒子性。光子确实具有粒子性，这被光电效应实验证实。然而，光子同时也具有波动性，这被杨氏双缝干涉实验证实。波动性这个特征并没有反映在“光子”这个词上。作者认为，将传递电磁相互作用的基本粒子命名为“电磁元”比“光子”更能反映其物理含义。

 

中文的“粒子”这个词容易让人联想起宏观世界中的固体颗粒，让人直观地以为粒子是有形状的。可能有人会问，电子是什么形状的？质子是什么形状的？是不是球状的？答案是：基本粒子没有形状。

 

粒子的英文是Particle，其词义是不可分割的基本单元。至于这个基本单元是什么形状，甚至是否有形状，与Particle的词义没任何关系。根据量子场论，基本粒子是量子场的一个最小能量单元。这是一个抽象概念，不像宏观物体那样有具体形状。因此，将Particle翻译成“基元”（即基本的能量单元），比“粒子”更为确切。

原子轨道无轨迹

微观世界很多新的事物刚被发现时，人们习惯从熟知的宏观世界中借用已有的术语来命名之。随着科学的发展，人们才逐渐发现这些事物的本质与原先的理解并不一致，原有的术语不能很好地描述其真正含义。一个有名的例子是“原子轨道”。

 

在宏观世界，物体按照牛顿力学定律沿着一定的轨迹（Trajectory）运动。如果这个轨迹是确定的，通常被称为轨道（Orbit）。例如，地球围绕太阳公转，其轨道为椭圆形。在微观世界，情况则有所不同。举个例子，电子刚被发现时，人们按照习以为常的经典力学观念，认为电子的运动具有轨迹，就像地球围绕太阳公转的椭圆轨道一样，电子也是沿着一个围绕原子核的椭圆轨道转动。然而，这个基于经典力学的模型有着严重的缺陷，它不能解释为什么加速运动的带电的电子不向外辐射能量。

 

量子力学建立后，电子由波函数描述，波函数的模方代表电子在空间出现的概率。原子中的电子处于束缚态（Bound state），这是微观世界的一种量子态，不同于宏观物体的运动状态。束缚态的电子像“云”（Cloud）一样分布在原子核周围，没有确定的运动轨迹。以氢原子为例，基态电子的概率分布是球状的，第一激发态电子的概率分布是哑铃状的，与经典物体的椭圆形运动轨迹完全不同。根据不确定性原理，电子的位置和动量不可同时被测量，也就是说，电子的运动轨迹是不确定的，没有运动轨道。

 

由此可见，用轨道即Orbit来描述电子的运动状态是不合适的。1932年，化学家罗伯特·马利肯提出以Orbital取代Orbit。这个提法被广泛接受，在现今的英文教科书和文献中，用Atomic Orbital来表示原子中电子的运动状态，简称为Orbital。在中文文献中，一般仍将Atomic Orbital翻译为原子轨道。值得注意的是，Orbital与Orbit的词义并不相同。Orbit是指经典物理中所说的宏观物体的运动轨道。Orbital本来是由Orbit演化而来的形容词，本意是指与轨道相关的。但是，当Orbital作为名词使用时，特指量子力学中的原子轨道，其真实意思是束缚态电子的空间分布模式（Pattern），与经典运动轨道完全不同。作者认为，将Orbital翻译成“束缚模式”比“轨道”更合理。Orbital也可以理解为电子在空间出现概率较大的区域，因此有些文献翻译为“轨域”。还有些文献将Orbital翻译为“轨态”，意指一种量子束缚态。可惜的是，这些说法都没有被广泛采用。

图2：氢原子基态的电子。左图：根据经典物理，电子是一个小球，沿着椭圆形轨道围绕原子核转动。这是错误的图像。右图：根据量子力学，电子没有具体形状，也没有确定的运动轨迹，而是像“云”一样分布在原子核周围，呈球对称分布。这是正确的图像。

 

由于在中文文献中原子轨道这个词已被广泛采用，下面仍然沿用这一说法，以免造成混淆。原子中的电子由轨道波函数（Orbital Wavefunction）描述。轨道波函数由三个量子数确定，即主量子数、角量子数、磁量子数，分别代表电子的能级、角动量、轨道取向。角动量量子数为0，1，2，3，分别对应s轨道、p轨道、d轨道、f轨道。这些名称源于对原子光谱特征谱线外观的描述，分别为锐系（Sharp）光谱、主系（Principal）光谱、漫系（Diffuse）光谱、基系（Fundamental）光谱。

 

自旋不是旋转

另一个从宏观世界借用来描述微观事物的术语是“自旋”（Spin）。自旋是量子力学中一个容易让人曲解的概念。

 

1924年，泡利提出了著名的泡利不相容原理，即没有两个电子可以在同一时间处在相同的量子态。为了使得这个原理成立，泡利给电子引入一个新的自由度，称之为“双值量子自由度”（Two-valued Quantum Degree of Freedom）。但是泡利没能说明这个“自由度”对应的物理实在是什么。

 

1925年，由克勒尼希、乌伦贝克与古德斯米特提出，这个自由度对应的是电子自旋（Spin）。按照经典物理的图像，将电子假想为一个带电的球体，其自转具有角动量，产生一个磁场，从而解释了在外磁场中原子能级分裂的实验现象。

 

然而，这个基于宏观物体自转的解释却有很大的问题。宏观物体的自转（英文也是Spin）是指相对自身的某个轴做旋转运动，例如地球的自转。后来随着量子力学的进一步发展，理论和实验都认为，基本粒子（包括电子）是不可分割的点粒子，没有轴，因此宏观物体的自转无法直接套用到微观粒子的自旋。

 

微观粒子的自旋只能用量子力学去解释。量子力学认为，自旋与质量、电量一样，是基本粒子的内禀属性。自旋的运算规则类似于经典力学的角动量，也能产生一个磁场，但本质上与经典力学中的自转是不同的。自旋并不是指粒子自身在“旋转”（Rotating），而是粒子与生俱来的一种“内禀角动量”（Intrinsic Angular Momentum）。内禀的意思是说，自旋的取值只依赖于粒子的种类，不能被外部作用所改变。自旋的数值是量子化的，用自旋量子数描述。例如，电子的自旋量子数为1/2，光子的自旋量子数为1。

 

与自旋类似的概念是同位旋（Isospin）。同位旋是与强相互作用相关的量子数，用来区分处在不同电荷状态的粒子，例如质子和中子。同位旋是一个无量纲的物理量，不具有角动量的单位，因此与经典物理中的旋转一点关系都没有。之所以叫做“同位旋”，仅仅是因为其数学描述与自旋很类似。

作者简介

陈少豪，清华大学物理学学士，清华大学原子分子物理博士，曾为美国科罗拉多大学博尔德分校博士后研究员，先后在路易斯安那州立大学、波士顿大学任职，现在就职于麻省理工学院，从事高性能计算工作。

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