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要庆祝2025年国际量子科学与技术年，那就不能不回顾电流载体的奥秘如何被最终揭示——从而为量子时代奠定基础。
很难想象一个没有电子的世界。没有电子，就不会有电视、广播、互联网；不会有智能手机、电脑、电力；更不用说化学物质、食物、生命，乃至原子。当然，电子自始至终就大量存在。自宇宙大爆炸的最初瞬间起，它们便遍布于整个宇宙的每一个角落。然而，尽管电子无处不在，人类对它们的认识却一直到20世纪才得以初步深入。此前，对于静电与电流这些奇异现象的成因，人们仅掌握最模糊的线索。对这些线索的追寻持续了数百年。但一旦“猎物”被捕获、身份确定，电子便赋予了现代科技以魔力，并催生了全新的科学领域。正是电子将科学家们引入那野性而奇异的量子力学世界——这一领域至今恰逢百年纪念。对电子行为及其量子能力的认识，以古人难以想象的方式改造了整个人类文明。古希腊哲学家确实对物质相互作用中隐藏的奥秘有所感知。众所周知，琥珀经丝绸或兽皮摩擦后能够吸引轻小物体——这便是我们今天所称的静电现象。活跃于公元前600年前后的米利都学派（Miletus）创始人泰勒斯（Thales）甚至推测，琥珀的这种“魔力”与磁铁矿对铁的吸引之间可能有着某种共通之处。
图片来源：NTV / Shutterstock古代人发现，摩擦琥珀后，它能够吸引小而轻的物体，如图中飘落的纸屑。但这种力量——静电——的原理在千百年间依旧扑朔迷离。自古至中世纪，相关研究进展甚微。然而，16世纪末在英格兰，伊丽莎白（Elizabeth）女王的医生威廉·吉尔伯特（William Gilbert）注意到，经丝绸摩擦的玻璃棒同样获得了与琥珀相似的吸引力。吉尔伯特称这些棒为“电体”或“带电体”，其名来自希腊语 elektron（意为“琥珀”）。18世纪中叶，本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）对电学奥秘展开了更深入的探索。他因证明闪电是一种电现象而闻名，同时提出了许多基础概念，并为后世电学研究奠定了术语基础。“他将‘加’与‘减’、‘正’与‘负’、‘电荷’以及‘电池’等技术术语引入电学科学论述中。”科学史家 I.B.科恩（I.B. Cohen）如此评价。富兰克林坚信存在一种独立于其他物质的“电流体”（electrical fluid）——或称“电火”（electrical fire）。例如，用手摩擦玻璃，并不会“创造”电火；而是在摩擦过程中，手中原有的少量“电火”被转移到了玻璃上。换言之，玻璃因而带有富兰克林所称的“正电荷”，而丝绸因失去电火而呈现“负电荷”。玻璃所获得的电火，原来不过是电子而已。（可惜后来的术语约定把电子定义为带负电荷，但这并非富兰克林之过。）富兰克林推测，他所称的电火或电流体“由极其精微的粒子组成”，能够“轻易渗透普通物质”。对于任何怀疑电火穿透生物体能力的人，富兰克林则指出：“从一个通电的大玻璃罐受到的电击……大概能说服他。”
图片来源：SCIENCE HISTORY IMAGES / ALAMY STOCK PHOTO在18世纪，本杰明·富兰克林通过一系列电学实验推断出某种“电流体”能够在物体间转移——后来人们发现，这种“电流体”正是电子。19世纪，电学研究蓬勃发展，人们最终揭示了电与磁之间的相互关系，并由此衍生出能够实现无线电、电视和 Wi-Fi 的电磁波。但富兰克林所说的“电火”本质依然蒙尘。一个关键进展是发现装有低压气体的玻璃管能够导电。当电池的导线接到管两端的封闭电极时，负极会放射出绿色光芒。因负极被称为“阴极”，这种绿色光遂被命名为“阴极射线”。英国物理学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）的实验表明，阴极射线沿直线传播，仿佛一种光。然而，他又发现磁场能够偏转射线路径，排除了它们是光的可能性。此后，欧洲顶尖物理学家围绕阴极射线究竟是波还是粒子展开激烈论战。19世纪末，阴极射线之争与两个电学核心问题相交织：电荷是否具有基本单位？若有，是否存在一种比原子更为基本的粒子来承载该单位电荷？处在这一研究前沿的是英国物理学家J.J.汤姆逊（J.J. Thomson）。他先受数学训练，后在剑桥卡文迪许实验室师从瑞利（Rayleigh）勋爵转而从事物理研究。1884年，汤姆逊接替瑞利出任卡文迪许实验室首席教授。1897年，汤姆逊证明了阴极射线所携电荷对应着确定的质量，确立了电子的粒子属性。他测得的质量与电荷之比显示，电荷的基本单位——“电的原子”——是由质量不到氢原子千分之一的粒子携带的。“将物质假定为比元素原子更细微可分的状态，确实颇为惊人。”汤姆逊在皇家学会的一次演讲中坦言。然而，他的实验正是对这一假设的有力验证。更令人信服的是，汤姆逊还证明，无论管内填充何种气体，亦或阴极由何种元素构成，该粒子的质量始终如一。“在此之后，任何理智之人都无法再拒绝存在比原子更小，或至少更轻的粒子这一事实；而且这些粒子在物质构成中扮演着根本性角色。”其子乔治·汤姆逊如是写道。
1897年，J.J.·汤姆逊将阴极射线（在阴极射线管中产生）置于电场和磁场之中。通过分析它们在场中的偏转，他证明了携带电荷的载体具有确定的质量，与管内使用的气体种类无关。他由此推断，阴极射线由一类他称为“微粒”（corpuscles）的带电小粒子组成，后被称为电子。因此，汤姆逊（父）被公认为电子——首个被识别的亚原子粒子——的发现者，他最初将这种粒子命名为“微粒”。但有趣的是，早在1891年，爱尔兰物理学家乔治·约翰斯顿·斯托尼（George Johnstone Stoney）就已为这个粒子取名“electron”（源自希腊语“琥珀”），用以指称电荷的基本单位，尽管当时尚无人知晓其真实形态。汤姆逊确认粒子存在后，“electron”很快成为通用名称。原子内部的奥秘电子的问世紧随X射线和放射性发现之后，更加速了科学家们揭示原子内部结构的狂热探索。一个突出难题是：在常态下电中性的原子内，如何容纳带电粒子？若要中和电子的负电荷，原子内部必然还存在某种正电荷，但当时无人知晓它们如何共存。汤姆逊提出“葡萄干布丁”模型：带负电的电子嵌入一片正电“布丁”之中，犹如布丁中的葡萄干。然而，这一假说缺乏实验证据，并在1911年被欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）推翻——他宣布发现了原子核。原子内部存在一个极小而带正电的核心，就像圆形剧场中央的舞台，而带负电的电子则被排在外围的“廉价座位”上。卢瑟福对原子核的发现震惊了整个物理界，这一结果几乎令人难以置信，连本杰明·富兰克林若在世也会感到困惑。因为据当时对电荷的所有认识，带负电的电子理应在极短时间内螺旋坠入带正电的原子核，并在过程中释放电磁能量。然而不久后，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）出场，以全新的量子物理规则将电子从“死亡螺旋”中解救出来。玻尔提出的原子模型中，电子只能在某些特定的轨道上绕核运行，这样便可防止其因能量损耗而坠入原子核。（电子只有在从一个允许轨道跃迁到另一个轨道时，才会释放或吸收能量。）
图片来源：《原子与玻尔原子结构理论》，1923年，H. Holst 等丹麦物理学家尼尔斯·玻尔试图用一组围绕中心原子核运行的轨道来解释电子在原子结构中的角色，如这幅描绘镭元素的老式插图所示。随着量子力学在一个世纪前的提出，这种精确轨道的模型被电子的能级概念所取代，电子不再具有明确路径。玻尔清楚地知道，他的构想只是初步的。他的数学模型仅适用于最简单的氢原子。更复杂的理论框架于1925年由德国物理学家维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）开创，标志着量子力学正式成为描述电子行为的“规则之书”。不久之后，化学家便开始运用量子的数学理论解释电子如何在原子之间形成化学键，从而构成化合物。但电子带来的惊奇远未结束。甚至在海森堡建立将电子视为粒子的原子模型之前，法国物理学家路易斯·德布罗意（Louis de Broglie）提出，电子或许其实是以波的形式穿越空间。海森堡发表研究成果不久，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）构建了电子的波动模型。他的波动的数学理论与海森堡的粒子理论得出了相同的预测结果。实验验证也很快到来。克林顿·戴维森（Clinton Davisson）和贝尔实验室的同事们，以及苏格兰阿伯丁大学的乔治·汤姆逊（George Thomson）分别独立完成了实验：他们发现电子束穿过晶体后会偏转并形成衍射图样，而这正是波动现象的经典标志。1937年，戴维森和乔治·汤姆逊因这一发现共同获得诺贝尔物理学奖。这成为物理史上的一大趣谈：J.J.汤姆逊因证明电子是粒子而获得1906年诺贝尔奖，他的儿子乔治则因证明电子是波而获得诺贝尔奖。为解决这一矛盾，玻尔于1927年提出了解决方案：他认为波动与粒子两种图像都正确，但只能适用于互不兼容的实验设计。换句话说，你可以设计一个实验观测电子的波动性，也可以设计另一个实验显示电子的粒子性，但不可能设计出一个同时揭示两者的实验。尽管关于其本质的讨论仍在持续，量子物理最终发展成为以电子为基础的尖端科技引擎。从早期笨重的电子管，到整洁的晶体管，再到微型集成电路，电子电路的不断微型化带来了社会层面的深刻变革，也极大推进了人类对自然世界的认知。电子的行为渗透于自然界的各个层面——从单个原子的化学性质，到生物大分子的复杂结构。对电子的理解催生了可设计材料、消费电子产品以及强大的计算能力。从电子邮件到电子显微镜，从太阳能电池到激光器，电子是构建现代世界的关键要素。正如本杰明·富兰克林曾预言的那样，他所谓的“电火”终将为人类带来丰厚回报：“我们尚不完全了解这种电火的种种有益用途，”他写道，“但可以肯定，它们确实存在，而且将极为重要。”审校：7号机
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本书是关于量子前沿科技的科普漫画，书中详细介绍了潘建伟院士领导的中国科学技术大学量子信息科研团队在近几年取得的科研进展，将十余篇刊发在Nature，Science，PRL等国际知名学术期刊上的科研成果通过生动有趣的漫画形式介绍给读者，内容包括量子通信、量子计算和模拟、量子精密测量和基础检验等，重点介绍了中国科学家研制的“祖冲之号”“九章”量子计算原型机的发展和演变。本书内容严谨与趣味并存、前沿与通俗兼备，非常适合对物理感兴趣、对量子科学感兴趣的读者阅读。【互动问题：电子的发现不仅改变了物理学和化学的基本理论，也推动了无数现代技术的诞生。你知道哪些电子技术呢？请举例说明。】
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编辑：7号机
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来源：中科院物理所
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