电子是什么形状的？
首先，我们得明白，用我们习惯的“形状”这个词来描述电子，本身就有局限性。在我们日常生活中，一个物体有确定的形状，意味着它占据着一个明确的空间，有清晰的边界。比如，一个苹果是圆形的，一块砖头是方形的。我们总能用尺子量出它的长宽高，画出它的轮廓。
但电子，这位微观世界的居民，可不按常理出牌。它最基本的、最核心的描述，是它的波动性。这听起来有点玄乎，但想象一下水波或者声波。它们没有固定的形状，而是以波动的形式在空间中传播。电子，在很多时候，也表现出这种波动的性质。
所以，与其说电子有“形状”，不如说它是一种概率分布。我们无法准确地说电子“在哪里”，只能说它“有很大可能在这里”，或者“在那里出现的概率比较低”。这种概率分布，就被数学上描述成一种波函数。
波函数本身，可以有很多不同的形式，就像不同的乐器可以奏出不同音符的波形一样。这些波函数，可以想象成一种“模糊的云”，电子就在这团“云”里。这团“云”有密度的高低，密度高的地方，就意味着电子出现在那里的概率更大；密度低的地方，就是电子不太可能出现的地方。
我们经常会听到“电子云”这个词，其实就是对这种概率分布的一种形象化描述。这团“电子云”有没有具体的边界呢？通常情况下，它会延伸到无限远，但概率会越来越小。就像远处的灯光，你站在近处能看得很清楚，但离得越远，灯光就越微弱，最终会融入黑暗。
那么，它有没有一个“核心”或者“最可能出现”的区域呢？这取决于电子所处的状态。就像原子中的电子，它们不是随便乱跑的，而是被束缚在原子核周围，以特定的轨道运动。这些轨道，也并不是我们想象中的行星绕太阳那种实实在体的“轨道”，而是由波函数决定的、电子出现概率较高的区域。
比如，在最简单的氢原子里，电子可以处在“s轨道”状态。在这种状态下，电子云是球对称的，也就是说，它在原子核周围的任何方向上，出现概率的分布都是一样的。这时候，你可以勉强说电子的“分布”看起来像一个模糊的球体，但它没有一个硬邦邦的表面，更不是一个实体。
而当电子处于其他状态时，比如“p轨道”或“d轨道”，它们的概率分布就会变得更复杂，可能呈现出“哑铃形”、“葫芦形”或者更奇特的形状。但请记住，这依旧是概率的分布，不是电子本身的“实体”形状。
更令人着迷的是，在某些情况下，电子可以表现出粒子性。当我们试图去“探测”它，比如让它通过一个狭缝时，它又会像一颗粒子一样，只通过一个点。这种“波粒二象性”，是量子世界最神秘的特征之一。所以，说电子是“球形”或者“粒子形”，都只能是片面的理解。
总而言之，如果你非要给电子找个“形状”，那它不是一个固定不变的几何形状。它更像是一种能量的分布，一种概率的聚集，可以像波一样弥散开来，也可以在某些时刻表现出粒子般的集中。它是一种动态的、概率性的存在，它的“形状”取决于它所处的环境和我们如何去“观察”它。它不是一个你可以握在手中的东西，而是一个弥漫在空间中的、充满可能性的存在。
网友意见
物理学家期望找到电子的非对称性，以便证实超对称理论。然而，一个进行了10年之久的实验却得出残酷的结论：电子圆得完美无缺。
哈佛大学的约翰·多伊尔（John Doyle）直言不讳：“实验结果简直令人难以置信。”
多伊尔团队参与的一个跨高校实验项目ACME（Advanced Cold Molecule Electron EDM，先进冷分子电子电偶极矩研究）最近发现：电子圆得超乎想象！
电子圆到什么程度？即便把它放大到太阳系的尺寸，其各向半径之间的差别也不超过一根发丝——时隔两千多年，物理学家终于在物质的内部找到了古希腊哲学家亚里士多德认为只会存在于天界的完美形状。
这真是个意外的结局。实际上物理学家一直想找到电子的缺陷。他们本以为这种与中子和质子共同构成原子的带负电的基本粒子表面略有凹凸。这倒不是因为古希腊哲学认为自然界不存在完美的圆球，而是物理学家的那些理论让他们有这样的想法。
理论影响重大
尤其是近40年来，他们寄希望于用超对称理论来描述微观世界。这个理论的基础是假设存在一种尚未被发现的，能够感应电子磁场振荡方向的粒子；在电子磁场作用下，这群假想粒子会在电子四周作不均匀分布，导致电子负电分布发生变化，引发轻微的对称破缺。
另一个原因是标准模型预言电子是一个完美的圆球。“我们知道标准模型并不完美。”参与ACME项目的另一名哈佛大学物理学家杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）介绍道，“然而这次的实验设备，精度首次达到了与可能超越标准模型的理论预测相匹配的水平。”
电子的形状于是便有了重要的理论价值：如果其表面凹凸不平，那么对称理论将终于得到实验证明。
的确，这10年来，随着实验条件不断改善（见上方图解），ACME项目所能达到的细节水平已有助我们对标准模型和超对称理论的正确性做出评判。
巴黎高等师范学院卡斯特勒-布罗塞尔实验室主任保罗·因代利卡托（Paul Indelicato）强调：“这是将现今实验技术发挥到极致所取得的突破，由一群能力超群、无比坚定的人做到了。”
2014年1月，科学家得到了这个令人难以置信的结果：电子的形状接近完美。对称破缺的概率不会超过十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一。
“上帝决定，我们观察……”杰拉尔德·加布里埃尔斯言简意赅。法国萨克雷理论物理研究所的菲利波·萨拉（Filippo Sala）则更直接：“ACME项目组的结论实在算不上是好消息……”
因为它对超对称理论是一个沉重打击。
“当然，基于ACME的结果，我们尽可想象一些能够迎合超对称理论预言的物理机制。”菲利波·萨拉解释说。法国奥赛理论物理实验室的阿卜戴勒哈克·朱阿迪（Abdelhak Djouadi）补充道：“超对称的粉丝们可以洗洗睡了，或是继续梦想！”——寄望欧洲粒子物理研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）能发现超对称粒子。
然而菲利波·萨拉也指出“要论证这些调整并非易事”。确切地说，电子很可能会把理论物理学家们逼入绝境，抛出些效果不一的理论修正。
物理学家的南墙
目前，ACME项目组的研究人员仍继续寻找着电子的微小瑕疵。“五年内，实验精度可提高10倍。”耶鲁大学的戴夫·德米耶（Dave DeMille）解释道。而且谁也拦不住它哪一天再提升10倍。届时，标准模型的所有延伸理论将迎来终极大考，包括有关重粒子的预言——大型强子对撞机找到这些重粒子的可能性现已排除。
当然，这一切都只是个时间问题：要么有朝一日在电子表面找到微小的对称破缺，世上隐藏最深的秘密随即被揭开；要么电子始终保持其完美形状，令现有假设灰飞烟灭，将物理学家推回对物质模糊认知的起点。然而在此之前，电子对我们来说就是完美的圆球……
撰文 Mathieu Grousson
编译 郑丁葳
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