宇宙中当然有比电子更小的物质存在,目前我们已知在宇宙空间中,除了电子之外,还有中微子和光子都属于最小的粒子。理论上黑洞的中心奇点也极小,未来人类或许还会发现其它比电子小的微观物质,比如某些暗物质;还有可能,以后的科学家会发现原来场(磁场、电场和引力场)也是一种更小的物质。
一个原子模型
电子有多大?电子很小,在相当长的时间里,科学家们甚至以为电子是宇宙中最小的物质形态。
电子的静止质量大约为 9.118195399×10⁻³¹ kg,按照爱因斯坦的质能方程 E=mc²,电子的质量又可以表达为0.511MeV/c²。这个质量仅为质子质量的1/1836、中子的1/1837。
电子不仅质量小,它的尺寸也极小。但电子的半径究竟有多大?这却是现代物理学里边一个极具挑战性的问题。
电子到底多大是一个物理学难题
我们没有任何一把尺子去丈量电子,物理学家们唯一的办法就是计算。物理学里有一个“经典电荷半径”,它的值为 2.8179×10⁻¹⁵ m:
经典电子半径的推算
这里产生了一个问题:这个值比质子的电荷半径 8.768×10⁻¹⁶ m 大了好几倍。我们知道电子是轻子,它不可再分;而质子是重子,它是由三个夸克组成,它不可能比电子还小。“电荷半径”是忽略量子力学影响的计算结果,与电子的基本结构没有关系,它并不代表电子真实的大小。
你可能会说,电子是“点粒子”呀!点粒子无量纲,这意味着它不占空间,没有半径。
的确,在电磁物理学中,我们经常会讨论到“点电荷”(非零电荷的点粒子),在引力理论中也经常用“点质量”指非零质量并且没有其它属性或结构的点粒子。但是对于电子来说,由于它的自能量趋向于无穷大,因此从数学的角度它不可能没有半径。