較真物理學名詞：量子物理中的微觀粒子_風聞

在創造專有名詞時，一個原則是要揭示事物的本質或指出其最重要的特性。新生事物剛出現的時候，科學家根據當時的理解而命名之。然而，隨着科學的不斷發展，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。但由於該名詞已經被人們廣泛使用，要改過來就不容易了。筆者將對物理學中的一些重要名詞作一番“咬文嚼字”，細究其詞義，探討背後深刻的物理含義。

——作者

撰文 | 陳少豪（美國麻省理工學院）

量子力學是20世紀物理學最偉大的成就之一。量子力學中有很多經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，才能準確有效地解釋微觀世界的實驗現象。在量子力學的基礎上，物理學家進一步發展出量子場論。在現代物理中，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，要用恰當的專有名詞描述這些概念並非易事。本文將基於量子力學與量子場論，考究與微觀粒子相關的一些物理名詞，探討其物理含義。

原子可以分割

人們日常所見的宏觀物體由原子或分子構成。19世紀初，化學家道爾頓建立原子論，認為物質世界的最小單位是原子，原子在化學變化中保持不變。分子（Molecule）是由多個原子通過化學鍵結合在一起而形成的。化學反應的本質就是分子分解為原子再重新結合成新的分子。

原子的英文是Atom，來源於希臘語，其本意是單一的、不可分割的。中文的“原”是象形字，本意是水流的發源地，後來寫作“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，隨着近代物理實驗和理論的發展，物理學家發現原子內部還有結構，是可以分割的。原子由原子核（Nucleus）和電子（Electron）構成，原子核在中心，電子分佈在原子核周圍。儘管原子的物理含義發生了變化，但不論是英文的Atom還是中文的原子這個詞早已被廣泛運用，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。原子核由質子（Proton）和中子（Neutron）構成。質子和中子可以進一步分割，它們由夸克（Quark）構成。夸克和電子是最基本的粒子。構成物質的最小或最基本的單元稱為基本粒子（Elementary Particle）。基本粒子不可分割。

圖1: 原子內部結構。原子由原子核和電子構成，原子核由質子和中子構成，中子、質子由夸克構成。

根據量子統計理論，基本粒子可以分為費米子（Fermion）和玻色子（Boson）兩大類。費米子的自旋為半整數，玻色子的自旋為整數，分別以物理學家費米、玻色命名（自旋是基本粒子的內稟屬性，這將在後面討論）。

按照粒子物理的標準模型（Standard Model），世間萬物皆由三代基本費米子構成。例如，夸克、輕子（Lepton）都是最基本的費米子。電子是輕子的一種。夸克的英文原意是一種海鷗的叫聲，其發現者蓋爾曼從文學作品中得到靈感而用這個詞來命名。三個夸克構成重子（Baryon）。重子因質量比輕子大很多而得名。質子和中子都屬於重子。一個夸克和一個反夸克構成介子。介子的英文單詞Meson源自希臘語的Mesos，是中間的意思。其發現者湯川秀樹之所以用Meson命名，是因為介子的質量介於電子與質子之間。

自然界有四種基本相互作用，從強到弱依次是：強相互作用、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“規範玻色子”（Gauge Boson）。“玻色子”的意思是説自旋為整數，而“規範”則是因為與楊-米爾斯規範場理論有關。

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

光子也是一種基本粒子。光子的英文是Photon，在希臘語裏是光的意思。1926年，物理化學家吉爾伯特·路易斯首次使用Photon這個詞來命名光的載子。後來這個術語被學術界廣泛採用。由於光是一種電磁波，也是最常見的電磁波，因此光子（即Photon）的詞義被進一步拓展，物理學家用它來命名傳遞電磁相互作用的基本粒子。

光子這個詞讓人直觀地認為其具有粒子性。光子確實具有粒子性，這被光電效應實驗證實。然而，光子同時也具有波動性，這被楊氏雙縫干涉實驗證實。波動性這個特徵並沒有反映在“光子”這個詞上。作者認為，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”這個詞容易讓人聯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。可能有人會問，電子是什麼形狀的？質子是什麼形狀的？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。至於這個基本單元是什麼形狀，甚至是否有形狀，與Particle的詞義沒任何關係。根據量子場論，基本粒子是量子場的一個最小能量單元。這是一個抽象概念，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現時，人們習慣從熟知的宏觀世界中借用已有的術語來命名之。隨着科學的發展，人們才逐漸發現這些事物的本質與原先的理解並不一致，原有的術語不能很好地描述其真正含義。一個有名的例子是“原子軌道”。

在宏觀世界，物體按照牛頓力學定律沿着一定的軌跡（Trajectory）運動。如果這個軌跡是確定的，通常被稱為軌道（Orbit）。例如，地球圍繞太陽公轉，其軌道為橢圓形。在微觀世界，情況則有所不同。舉個例子，電子剛被發現時，人們按照習以為常的經典力學觀念，認為電子的運動具有軌跡，就像地球圍繞太陽公轉的橢圓軌道一樣，電子也是沿着一個圍繞原子核的橢圓軌道轉動。然而，這個基於經典力學的模型有着嚴重的缺陷，它不能解釋為什麼加速運動的帶電的電子不向外輻射能量。

量子力學建立後，電子由波函數描述，波函數的模方代表電子在空間出現的概率。原子中的電子處於束縛態（Bound state），這是微觀世界的一種量子態，不同於宏觀物體的運動狀態。束縛態的電子像“雲”（Cloud）一樣分佈在原子核周圍，沒有確定的運動軌跡。以氫原子為例，基態電子的概率分佈是球狀的，第一激發態電子的概率分佈是啞鈴狀的，與經典物體的橢圓形運動軌跡完全不同。根據不確定性原理，電子的位置和動量不可同時被測量，也就是説，電子的運動軌跡是不確定的，沒有運動軌道。

由此可見，用軌道即Orbit來描述電子的運動狀態是不合適的。1932年，化學家羅伯特·馬利肯提出以Orbital取代Orbit。這個提法被廣泛接受，在現今的英文教科書和文獻中，用Atomic Orbital來表示原子中電子的運動狀態，簡稱為Orbital。在中文文獻中，一般仍將Atomic Orbital翻譯為原子軌道。值得注意的是，Orbital與Orbit的詞義並不相同。Orbit是指經典物理中所説的宏觀物體的運動軌道。Orbital本來是由Orbit演化而來的形容詞，本意是指與軌道相關的。但是，當Orbital作為名詞使用時，特指量子力學中的原子軌道，其真實意思是束縛態電子的空間分佈模式（Pattern），與經典運動軌道完全不同。作者認為，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概率較大的區域，因此有些文獻翻譯為“軌域”。還有些文獻將Orbital翻譯為“軌態”，意指一種量子束縛態。可惜的是，這些説法都沒有被廣泛採用。

圖2：氫原子基態的電子。左圖：根據經典物理，電子是一個小球，沿着橢圓形軌道圍繞原子核轉動。這是錯誤的圖像。右圖：根據量子力學，電子沒有具體形狀，也沒有確定的運動軌跡，而是像“雲”一樣分佈在原子核周圍，呈球對稱分佈。這是正確的圖像。

由於在中文文獻中原子軌道這個詞已被廣泛採用，下面仍然沿用這一説法，以免造成混淆。原子中的電子由軌道波函數（Orbital Wavefunction）描述。軌道波函數由三個量子數確定，即主量子數、角量子數、磁量子數，分別代表電子的能級、角動量、軌道取向。角動量量子數為0，1，2，3，分別對應s軌道、p軌道、d軌道、f軌道。這些名稱源於對原子光譜特徵譜線外觀的描述，分別為鋭系（Sharp）光譜、主系（Principal）光譜、漫系（Diffuse）光譜、基系（Fundamental）光譜。

自旋不是旋轉

另一個從宏觀世界借用來描述微觀事物的術語是“自旋”（Spin）。自旋是量子力學中一個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，即沒有兩個電子可以在同一時間處在相同的量子態。為了使得這個原理成立，泡利給電子引入一個新的自由度，稱之為“雙值量子自由度”（Two-valued Quantum Degree of Freedom）。但是泡利沒能説明這個“自由度”對應的物理實在是什麼。

1925年，由克勒尼希、烏倫貝克與古德斯米特提出，這個自由度對應的是電子自旋（Spin）。按照經典物理的圖像，將電子假想為一個帶電的球體，其自轉具有角動量，產生一個磁場，從而解釋了在外磁場中原子能級分裂的實驗現象。

然而，這個基於宏觀物體自轉的解釋卻有很大的問題。宏觀物體的自轉（英文也是Spin）是指相對自身的某個軸做旋轉運動，例如地球的自轉。後來隨着量子力學的進一步發展，理論和實驗都認為，基本粒子（包括電子）是不可分割的點粒子，沒有軸，因此宏觀物體的自轉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去解釋。量子力學認為，自旋與質量、電量一樣，是基本粒子的內稟屬性。自旋的運算規則類似於經典力學的角動量，也能產生一個磁場，但本質上與經典力學中的自轉是不同的。自旋並不是指粒子自身在“旋轉”（Rotating），而是粒子與生俱來的一種“內稟角動量”（Intrinsic Angular Momentum）。內稟的意思是説，自旋的取值只依賴於粒子的種類，不能被外部作用所改變。自旋的數值是量子化的，用自旋量子數描述。例如，電子的自旋量子數為1/2，光子的自旋量子數為1。

與自旋類似的概念是同位旋（Isospin）。同位旋是與強相互作用相關的量子數，用來區分處在不同電荷狀態的粒子，例如質子和中子。同位旋是一個無量綱的物理量，不具有角動量的單位，因此與經典物理中的旋轉一點關係都沒有。之所以叫做“同位旋”，僅僅是因為其數學描述與自旋很類似。

作者簡介

陳少豪，清華大學物理學學士，清華大學原子分子物理博士，曾為美國科羅拉多大學博爾德分校博士後研究員，先後在路易斯安那州立大學、波士頓大學任職，現在就職於麻省理工學院，從事高性能計算工作。

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。