要慶祝2025年國際量子科學與技術年，那就不能不回顧電流載體的奧秘如何被最終揭示——從而為量子時代奠定基礎。

很難想象一個沒有電子的世界。沒有電子，就不會有電視、廣播、互聯網；不會有智能手機、電腦、電力；更不用說化學物質、食物、生命，乃至原子。

當然，電子自始至終就大量存在。自宇宙大爆炸的最初瞬間起，它們便遍布于整個宇宙的每一個角落。然而，盡管電子無處不在，人類對它們的認識卻一直到20世紀才得以初步深入。此前，對于靜電與電流這些奇異現象的成因，人們僅掌握最模糊的線索。

對這些線索的追尋持續了數百年。但一旦“獵物”被捕獲、身份確定，電子便賦予了現代科技以魔力，并催生了全新的科學領域。正是電子將科學家們引入那野性而奇異的量子力學世界——這一領域至今恰逢百年紀念。對電子行為及其量子能力的認識，以古人難以想象的方式改造了整個人類文明。

古希臘哲學家確實對物質相互作用中隱藏的奧秘有所感知。眾所周知，琥珀經絲綢或獸皮摩擦后能夠吸引輕小物體——這便是我們今天所稱的靜電現象。活躍于公元前600年前后的米利都學派（Miletus）創始人泰勒斯（Thales）甚至推測，琥珀的這種“魔力”與磁鐵礦對鐵的吸引之間可能有著某種共通之處。

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古代人發現，摩擦琥珀后，它能夠吸引小而輕的物體，如圖中飄落的紙屑。但這種力量——靜電——的原理在千百年間依舊撲朔迷離。

自古至中世紀，相關研究進展甚微。然而，16世紀末在英格蘭，伊麗莎白（Elizabeth）女王的醫生威廉·吉爾伯特（William Gilbert）注意到，經絲綢摩擦的玻璃棒同樣獲得了與琥珀相似的吸引力。吉爾伯特稱這些棒為“電體”或“帶電體”，其名來自希臘語 elektron（意為“琥珀”）。

18世紀中葉，本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）對電學奧秘展開了更深入的探索。他因證明閃電是一種電現象而聞名，同時提出了許多基礎概念，并為后世電學研究奠定了術語基礎。

“他將‘加’與‘減’、‘正’與‘負’、‘電荷’以及‘電池’等技術術語引入電學科學論述中。”科學史家 I.B.科恩（I.B. Cohen）如此評價。

富蘭克林堅信存在一種獨立于其他物質的“電流體”（electrical fluid）——或稱“電火”（electrical fire）。例如，用手摩擦玻璃，并不會“創造”電火；而是在摩擦過程中，手中原有的少量“電火”被轉移到了玻璃上。換言之，玻璃因而帶有富蘭克林所稱的“正電荷”，而絲綢因失去電火而呈現“負電荷”。

玻璃所獲得的電火，原來不過是電子而已。（可惜后來的術語約定把電子定義為帶負電荷，但這并非富蘭克林之過。）

富蘭克林推測，他所稱的電火或電流體“由極其精微的粒子組成”，能夠“輕易滲透普通物質”。對于任何懷疑電火穿透生物體能力的人，富蘭克林則指出：“從一個通電的大玻璃罐受到的電擊……大概能說服他。”

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在18世紀，本杰明·富蘭克林通過一系列電學實驗推斷出某種“電流體”能夠在物體間轉移——后來人們發現，這種“電流體”正是電子。

19世紀，電學研究蓬勃發展，人們最終揭示了電與磁之間的相互關系，并由此衍生出能夠實現無線電、電視和 Wi-Fi 的電磁波。但富蘭克林所說的“電火”本質依然蒙塵。

一個關鍵進展是發現裝有低壓氣體的玻璃管能夠導電。當電池的導線接到管兩端的封閉電極時，負極會放射出綠色光芒。因負極被稱為“陰極”，這種綠色光遂被命名為“陰極射線”。

英國物理學家威廉·克魯克斯（William Crookes）的實驗表明，陰極射線沿直線傳播，仿佛一種光。然而，他又發現磁場能夠偏轉射線路徑，排除了它們是光的可能性。此后，歐洲頂尖物理學家圍繞陰極射線究竟是波還是粒子展開激烈論戰。

19世紀末，陰極射線之爭與兩個電學核心問題相交織：電荷是否具有基本單位？若有，是否存在一種比原子更為基本的粒子來承載該單位電荷？

處在這一研究前沿的是英國物理學家J.J.湯姆遜（J.J. Thomson）。他先受數學訓練，后在劍橋卡文迪許實驗室師從瑞利（Rayleigh）勛爵轉而從事物理研究。1884年，湯姆遜接替瑞利出任卡文迪許實驗室首席教授。

1897年，湯姆遜證明了陰極射線所攜電荷對應著確定的質量，確立了電子的粒子屬性。他測得的質量與電荷之比顯示，電荷的基本單位——“電的原子”——是由質量不到氫原子千分之一的粒子攜帶的。

“將物質假定為比元素原子更細微可分的狀態，確實頗為驚人。”湯姆遜在皇家學會的一次演講中坦言。然而，他的實驗正是對這一假設的有力驗證。

更令人信服的是，湯姆遜還證明，無論管內填充何種氣體，亦或陰極由何種元素構成，該粒子的質量始終如一。

“在此之后，任何理智之人都無法再拒絕存在比原子更小，或至少更輕的粒子這一事實；而且這些粒子在物質構成中扮演著根本性角色。”其子喬治·湯姆遜如是寫道。

1897年，J.J.·湯姆遜將陰極射線（在陰極射線管中產生）置于電場和磁場之中。通過分析它們在場中的偏轉，他證明了攜帶電荷的載體具有確定的質量，與管內使用的氣體種類無關。他由此推斷，陰極射線由一類他稱為“微粒”（corpuscles）的帶電小粒子組成，后被稱為電子。

因此，湯姆遜（父）被公認為電子——首個被識別的亞原子粒子——的發現者，他最初將這種粒子命名為“微粒”。

但有趣的是，早在1891年，愛爾蘭物理學家喬治·約翰斯頓·斯托尼（George Johnstone Stoney）就已為這個粒子取名“electron”（源自希臘語“琥珀”），用以指稱電荷的基本單位，盡管當時尚無人知曉其真實形態。湯姆遜確認粒子存在后，“electron”很快成為通用名稱。

原子內部的奧秘

電子的問世緊隨X射線和放射性發現之后，更加速了科學家們揭示原子內部結構的狂熱探索。

一個突出難題是：在常態下電中性的原子內，如何容納帶電粒子？若要中和電子的負電荷，原子內部必然還存在某種正電荷，但當時無人知曉它們如何共存。

湯姆遜提出“葡萄干布丁”模型：帶負電的電子嵌入一片正電“布丁”之中，猶如布丁中的葡萄干。然而，這一假說缺乏實驗證據，并在1911年被歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）推翻——他宣布發現了原子核。原子內部存在一個極小而帶正電的核心，就像圓形劇場中央的舞臺，而帶負電的電子則被排在外圍的“廉價座位”上。

盧瑟福對原子核的發現震驚了整個物理界，這一結果幾乎令人難以置信，連本杰明·富蘭克林若在世也會感到困惑。因為據當時對電荷的所有認識，帶負電的電子理應在極短時間內螺旋墜入帶正電的原子核，并在過程中釋放電磁能量。

然而不久后，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）出場，以全新的量子物理規則將電子從“死亡螺旋”中解救出來。

玻爾提出的原子模型中，電子只能在某些特定的軌道上繞核運行，這樣便可防止其因能量損耗而墜入原子核。（電子只有在從一個允許軌道躍遷到另一個軌道時，才會釋放或吸收能量。）

圖片來源：《原子與玻爾原子結構理論》，1923年，H. Holst 等

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾試圖用一組圍繞中心原子核運行的軌道來解釋電子在原子結構中的角色，如這幅描繪鐳元素的老式插圖所示。隨著量子力學在一個世紀前的提出，這種精確軌道的模型被電子的能級概念所取代，電子不再具有明確路徑。

玻爾清楚地知道，他的構想只是初步的。他的數學模型僅適用于最簡單的氫原子。更復雜的理論框架于1925年由德國物理學家維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）開創，標志著量子力學正式成為描述電子行為的“規則之書”。不久之后，化學家便開始運用量子的數學理論解釋電子如何在原子之間形成化學鍵，從而構成化合物。

但電子帶來的驚奇遠未結束。甚至在海森堡建立將電子視為粒子的原子模型之前，法國物理學家路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）提出，電子或許其實是以波的形式穿越空間。海森堡發表研究成果不久，奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）構建了電子的波動模型。他的波動的數學理論與海森堡的粒子理論得出了相同的預測結果。

實驗驗證也很快到來。克林頓·戴維森（Clinton Davisson）和貝爾實驗室的同事們，以及蘇格蘭阿伯丁大學的喬治·湯姆遜（George Thomson）分別獨立完成了實驗：他們發現電子束穿過晶體后會偏轉并形成衍射圖樣，而這正是波動現象的經典標志。

1937年，戴維森和喬治·湯姆遜因這一發現共同獲得諾貝爾物理學獎。這成為物理史上的一大趣談：J.J.湯姆遜因證明電子是粒子而獲得1906年諾貝爾獎，他的兒子喬治則因證明電子是波而獲得諾貝爾獎。

為解決這一矛盾，玻爾于1927年提出了解決方案：他認為波動與粒子兩種圖像都正確，但只能適用于互不兼容的實驗設計。換句話說，你可以設計一個實驗觀測電子的波動性，也可以設計另一個實驗顯示電子的粒子性，但不可能設計出一個同時揭示兩者的實驗。

玻爾的這一觀點被稱為“互補原理”（complementarity），在當時暫時平息了爭議，但這也引發了一場長達一個世紀的爭論：量子力學應當如何用數學語言解釋。

盡管關于其本質的討論仍在持續，量子物理最終發展成為以電子為基礎的尖端科技引擎。從早期笨重的電子管，到整潔的晶體管，再到微型集成電路，電子電路的不斷微型化帶來了社會層面的深刻變革，也極大推進了人類對自然世界的認知。

電子的行為滲透于自然界的各個層面——從單個原子的化學性質，到生物大分子的復雜結構。對電子的理解催生了可設計材料、消費電子產品以及強大的計算能力。從電子郵件到電子顯微鏡，從太陽能電池到激光器，電子是構建現代世界的關鍵要素。

正如本杰明·富蘭克林曾預言的那樣，他所謂的“電火”終將為人類帶來豐厚回報：“我們尚不完全了解這種電火的種種有益用途，”他寫道，“但可以肯定，它們確實存在，而且將極為重要。”

作者：Tom Siegfried

翻譯：Meyare

審校：7號機

編輯：7號機

翻譯內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

本文轉載自《中科院物理所》微信公眾號

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