從前我們要知道電子是什麼，但這個問題從來沒有答案。沒有任何熟悉的概念可以用來織出電子的圖像[1]－愛丁頓[2]
從來沒有人見過電子，摸過電子，也沒有人知道它是哪裡來的，它有多大，它確切在什麼地方，甚至「電」到底是什麼東西。但是我，就和別的科學家一樣，毫不懷疑電子是存在的。
如果說「希格斯玻色子」[3]是人類到現在為止最後發現的「基本粒子」，那麼電子則是科學家最先發現的基本粒子。希格斯玻色子是由幾千個物理學家，藉著一座價值連城、周長27公里的「強子對撞機」[4]找到的，而電子基本上是在1897年，由一兩個人在英國劍橋一個小實驗室裡發現的[5]。
電與電子
電子可以說到處都是，每個水分子中就有10個電子，而整個宇宙中估計約有1億億億億億億億億億億（1080）個電子[6]（連一小杯水中也有1億億億個電子），並且所有的電子都有完全一樣的質量，帶有完全一樣多的電荷，當兩個電子彼此靠近，就不能再分辨那個電子是那個電子了[7]；而且不同於希格斯玻色子，電子是穩定的粒子（而希格斯玻色子的半衰期只有1.56×10−22 秒）。雖然如此，人類直到一百多年前才發現它的存在。 它不同於原子核中的質子和中子，質子與中子是由其他的粒子組成，而電子卻是一個不能分割的物質單元。按字意來說，它才應當被稱為「原子」才對，因為「原子」是從atom 這英文翻譯過來的，而「atom」又是從希臘文借用來的，原是含「不能」（a）＋「分割」（tomos）的意思[8]。
如果說「希格斯玻色子」[3]是人類到現在為止最後發現的「基本粒子」，那麼電子則是科學家最先發現的基本粒子。希格斯玻色子是由幾千個物理學家，藉著一座價值連城、周長27公里的「強子對撞機」[4]找到的，而電子基本上是在1897年，由一兩個人在英國劍橋一個小實驗室裡發現的[5]。
電與電子
電子可以說到處都是，每個水分子中就有10個電子，而整個宇宙中估計約有1億億億億億億億億億億（1080）個電子[6]（連一小杯水中也有1億億億個電子），並且所有的電子都有完全一樣的質量，帶有完全一樣多的電荷，當兩個電子彼此靠近，就不能再分辨那個電子是那個電子了[7]；而且不同於希格斯玻色子，電子是穩定的粒子（而希格斯玻色子的半衰期只有1.56×10−22 秒）。雖然如此，人類直到一百多年前才發現它的存在。 它不同於原子核中的質子和中子，質子與中子是由其他的粒子組成，而電子卻是一個不能分割的物質單元。按字意來說，它才應當被稱為「原子」才對，因為「原子」是從atom 這英文翻譯過來的，而「atom」又是從希臘文借用來的，原是含「不能」（a）＋「分割」（tomos）的意思[8]。
電子是個非常非常小的東西（物質），是看不見的（不是我們的眼力不佳，而是因為舉凡比光波波長[9]小的東西，都不能被眼睛看見）。那麼我們又怎麼知道它真的存在呢？雖然我們的電燈、電腦、電視、電話這些無數的電器用品，都已見證電子的存在，但是要確切證明它的存在，並認識它的本質，倒不是一件簡單的事。電子既然是不能直接觀察而得，就只能從它所產生的效應來推想它的存在。電子會產生電場，電流能產生磁場，這稱為電磁現象。
電磁現象是人類早就略有所知的事。比方我國東漢時期的科學家王充[10]，在他的《論衡》中就有「頓牟掇芥、磁石引針」的說法。頓牟就是琥珀，「頓牟掇芥」是指以皮摩擦琥珀就能拾起一些草芥之類的小東西。古希臘人也知道這現象，所以「電」這個字（electricity) 就是出於希臘文「琥珀」(ήλεκτρον (ēlektron)) 一辭。十八世紀美國的富蘭克林以雷雨中的風箏的實驗[11]，發現閃電也是與「電」有關。但是我們怎麽知道這種電是個「子」呢？這就說來話長了。
真空與陰極管
十七世紀中葉有個名叫格里克[12]的德國人，他是馬德堡[13]市的市長，在1650年發明了真空泵，可以將一個密封空間裡的空氣抽出來。於是格里克把一對50釐米銅製半球中的空氣抽空。這個中間含著真空的兩個半球，被大氣壓緊緊地壓住，就是用兩組各15匹馬的馬隊也不能把它們拉開，這就是著名的馬德堡半球，也是名符其實的馬戲。
電磁現象是人類早就略有所知的事。比方我國東漢時期的科學家王充[10]，在他的《論衡》中就有「頓牟掇芥、磁石引針」的說法。頓牟就是琥珀，「頓牟掇芥」是指以皮摩擦琥珀就能拾起一些草芥之類的小東西。古希臘人也知道這現象，所以「電」這個字（electricity) 就是出於希臘文「琥珀」(ήλεκτρον (ēlektron)) 一辭。十八世紀美國的富蘭克林以雷雨中的風箏的實驗[11]，發現閃電也是與「電」有關。但是我們怎麽知道這種電是個「子」呢？這就說來話長了。
真空與陰極管
十七世紀中葉有個名叫格里克[12]的德國人，他是馬德堡[13]市的市長，在1650年發明了真空泵，可以將一個密封空間裡的空氣抽出來。於是格里克把一對50釐米銅製半球中的空氣抽空。這個中間含著真空的兩個半球，被大氣壓緊緊地壓住，就是用兩組各15匹馬的馬隊也不能把它們拉開，這就是著名的馬德堡半球，也是名符其實的馬戲。
空氣已是夠「空」的了，真空有什麼用呢？當時的人一定會想這格里克市長吃飽飯沒事幹。然而200年後人類科學的進展卻與真空大有關係。在1870 年間，英國化學家克魯克斯[14]將密封玻璃管內裝入電極，再將其中的空氣抽出，就是現在所稱的陰極管。在1835年英國物理學家法拉第已經知道電流可以通過真空管，並產生螢光，這就是「陰極線」。[15]
電子的發現
到了十九世紀末葉，英國物理學家 約瑟夫·湯姆森[16]在1897年藉「陰極管」[17]實驗，首先發現「陰極線」是由帶著負電的粒子組成，並藉磁場效應測量出這粒子電荷與質量的比例，湯姆森稱這粒子為「電子」。到1909年美國物理學家羅伯特．密立根[18]做了一個著名的「油滴實驗」，巧妙地藉重力與電力的平衡，測量出電子所帶的電荷約為1.6x10-19庫侖。從電荷與質量的比例，我們可以導出電子的質量約為9.1x10-31公斤，比原子核中的質子約輕1830倍。人類開始窺見物質組成的奧秘。
電子是什麼東西？
顧名思義，電子當然是個粒子。雖然我們稱電子是個「基本粒子」，但是後來卻又發現它又是一種地道的波動（這「電子波」卻不是所謂的電波）。物質粒子要是在一個地方，它就不能同時又在另外一個地方；然而波動必然是得散佈在一片廣大的地方。這是源於1924年法國物理學家路易·德布羅意[19]在他的博士論文《量子理論研究》中首先提出電子的波動說。他認為愛因斯坦既然能以光波是種「粒子」來解釋光電效應，那麼物質粒子也可看為是一種波動。1927年英國物理學家，約瑟夫·湯姆森的兒子喬治·湯姆森[20]用金屬薄膜，及美國貝爾實驗室的物理學家柯林頓·戴維森和雷斯特·革末[21]用鎳晶體，分別將電子波的干擾現象[22]顯示於偵測屏幕，證明電子唯有波動才具有的干擾效應。
電子到底有多大？
接下來我們要問的問題就是電子有多大？這下麻煩就有點大了。我們知道原子核大約有10-13公分（或作10-15飛米[23]）大小，而電子卻又比原子核小得多了。有些物理學家甚至認為電子是個沒有大小的「質點」，就算用現代最高明的測量方法，我們頂多只能說電子的半徑是小於1萬億億（10-20）公分[24]，這已是小得不能再小了。電子若是沒有大小，那麼它的電是怎麼分佈的呢？而且電子還會自轉（故有磁性），這些都是可以準確測量的；但是若電子沒有大小，那麼這些性質（角動量、自轉、磁矩[25]）是什麼意思？它們又是哪裡來的呢？雖然我們認識電子已一百多年了，似乎它比我們剛發現它的時候更神秘了。赫胥黎[26]說得好：「科學其實什麼都沒有解釋，當我們知道得愈多，這世界就變得愈荒唐，而四周的黑暗也變得愈深沈了。」[27]
這還只不過是電子故事的起頭。愛丁頓博士說得不錯：「從前我們要知道電子是什麼，這個問題從來沒有答案。沒有任何熟悉的概念可以用來織出電子的圖像。」儘管如此，我們從來不懷疑它的存在。
[1] There was a time when we wanted to be told what an electron is. The question was never answered. No familiar conceptions can be woven around the electron. – Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature Of The Physicsal World
[2] 愛丁頓 （Arthur Stanley Eddington 1882 – 1944）英國皇家學院會士，著名物理學家、天文學家、數學家。
[3] Higgs Boson，2012年CERN「大型強子碰撞機」證實了它的存在
[4] Large Hadron Collider，花了90億美元建成
[5] Cavendish Laboratory, Cambridge University
[6] The Eddington Number，沒有人真的知道宇宙有多大，目前天文學家估計可見宇宙約3x1052公斤，與愛丁頓的推算相去不遠
[7] 是所謂的「全同粒子」，Identical particles
[8] ἄτομος (atomos, "indivisible") from ἀ- (a-, "not") and τέμνω (temnō, "I cut")
[9] 光波波長自紫到紅，約400-650毫米
[10] 王充（27年－約97年），科學奇才，不被當時學者的重視，認為他是 「詆訾孔子」，「厚辱其先」。
[11] Benjamin Franklin (1706 – 1790) 美國開國元勳，在雷雨中放風箏企圖引下高壓電，沒被雷打死，真是命大，他人不可仿效。在實驗中風箏其實並沒有被雷擊，風箏在空中時，結於風箏線上的萊頓瓶金葉展開，表示有電，富蘭克林就聰明地終止實驗，全身而退
[12] Otto von Guericke（1602– 1686）發現空氣壓力
[13] Magdeburg，位於易北河畔，在德國的東北區
[14] Sir William Crookes (1832 – 1919) 英國皇家學院院士
[15] Cathode ray, 從加熱的陽極射向陰極的螢光幕
[16] Joseph John Thomson (1856 – 1940) 英國劍橋大學物理教授，獲得1906年諾貝爾物理獎。他有7個助理及他的兒子（George）也都獲得諾貝爾物理獎
[17] Cathode ray tube
[18] Robert Millikan (1868 – 1953) 獲得1923年諾貝爾物理獎
[19] Louis de Broglie (1892 – 1987) 獲得1929年諾貝爾物理獎
[20] George Thomson (1892 – 1975)，獲得1937年諾貝爾物理獎
[21] Clinton J. Davisson (1881 – 1958) ; Lester H Germer (1896 – 1971)
[22] Interference phenomena
[23] 1 Femtometre (fm) = 10-15公尺
[24] Dehmelt, H. (1988). "A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius". Physica Scripta T22: 102-10.
[25] Magnetic moment
[26] 阿道斯．赫胥黎 A. J. Huxley (1894 – 1963) 作家(《美麗新世界》)，名門之後
[27] Science has explained nothing; the more we know the more fantastic the world becomes and the profounder the surrounding darkness. – Aldous Huxley
photo credit: A.Currell via photopin cc
電子的發現
到了十九世紀末葉，英國物理學家 約瑟夫·湯姆森[16]在1897年藉「陰極管」[17]實驗，首先發現「陰極線」是由帶著負電的粒子組成，並藉磁場效應測量出這粒子電荷與質量的比例，湯姆森稱這粒子為「電子」。到1909年美國物理學家羅伯特．密立根[18]做了一個著名的「油滴實驗」，巧妙地藉重力與電力的平衡，測量出電子所帶的電荷約為1.6x10-19庫侖。從電荷與質量的比例，我們可以導出電子的質量約為9.1x10-31公斤，比原子核中的質子約輕1830倍。人類開始窺見物質組成的奧秘。
電子是什麼東西？
顧名思義，電子當然是個粒子。雖然我們稱電子是個「基本粒子」，但是後來卻又發現它又是一種地道的波動（這「電子波」卻不是所謂的電波）。物質粒子要是在一個地方，它就不能同時又在另外一個地方；然而波動必然是得散佈在一片廣大的地方。這是源於1924年法國物理學家路易·德布羅意[19]在他的博士論文《量子理論研究》中首先提出電子的波動說。他認為愛因斯坦既然能以光波是種「粒子」來解釋光電效應，那麼物質粒子也可看為是一種波動。1927年英國物理學家，約瑟夫·湯姆森的兒子喬治·湯姆森[20]用金屬薄膜，及美國貝爾實驗室的物理學家柯林頓·戴維森和雷斯特·革末[21]用鎳晶體，分別將電子波的干擾現象[22]顯示於偵測屏幕，證明電子唯有波動才具有的干擾效應。
電子到底有多大？
接下來我們要問的問題就是電子有多大？這下麻煩就有點大了。我們知道原子核大約有10-13公分（或作10-15飛米[23]）大小，而電子卻又比原子核小得多了。有些物理學家甚至認為電子是個沒有大小的「質點」，就算用現代最高明的測量方法，我們頂多只能說電子的半徑是小於1萬億億（10-20）公分[24]，這已是小得不能再小了。電子若是沒有大小，那麼它的電是怎麼分佈的呢？而且電子還會自轉（故有磁性），這些都是可以準確測量的；但是若電子沒有大小，那麼這些性質（角動量、自轉、磁矩[25]）是什麼意思？它們又是哪裡來的呢？雖然我們認識電子已一百多年了，似乎它比我們剛發現它的時候更神秘了。赫胥黎[26]說得好：「科學其實什麼都沒有解釋，當我們知道得愈多，這世界就變得愈荒唐，而四周的黑暗也變得愈深沈了。」[27]
這還只不過是電子故事的起頭。愛丁頓博士說得不錯：「從前我們要知道電子是什麼，這個問題從來沒有答案。沒有任何熟悉的概念可以用來織出電子的圖像。」儘管如此，我們從來不懷疑它的存在。
[1] There was a time when we wanted to be told what an electron is. The question was never answered. No familiar conceptions can be woven around the electron. – Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature Of The Physicsal World
[2] 愛丁頓 （Arthur Stanley Eddington 1882 – 1944）英國皇家學院會士，著名物理學家、天文學家、數學家。
[3] Higgs Boson，2012年CERN「大型強子碰撞機」證實了它的存在
[4] Large Hadron Collider，花了90億美元建成
[5] Cavendish Laboratory, Cambridge University
[6] The Eddington Number，沒有人真的知道宇宙有多大，目前天文學家估計可見宇宙約3x1052公斤，與愛丁頓的推算相去不遠
[7] 是所謂的「全同粒子」，Identical particles
[8] ἄτομος (atomos, "indivisible") from ἀ- (a-, "not") and τέμνω (temnō, "I cut")
[9] 光波波長自紫到紅，約400-650毫米
[10] 王充（27年－約97年），科學奇才，不被當時學者的重視，認為他是 「詆訾孔子」，「厚辱其先」。
[11] Benjamin Franklin (1706 – 1790) 美國開國元勳，在雷雨中放風箏企圖引下高壓電，沒被雷打死，真是命大，他人不可仿效。在實驗中風箏其實並沒有被雷擊，風箏在空中時，結於風箏線上的萊頓瓶金葉展開，表示有電，富蘭克林就聰明地終止實驗，全身而退
[12] Otto von Guericke（1602– 1686）發現空氣壓力
[13] Magdeburg，位於易北河畔，在德國的東北區
[14] Sir William Crookes (1832 – 1919) 英國皇家學院院士
[15] Cathode ray, 從加熱的陽極射向陰極的螢光幕
[16] Joseph John Thomson (1856 – 1940) 英國劍橋大學物理教授，獲得1906年諾貝爾物理獎。他有7個助理及他的兒子（George）也都獲得諾貝爾物理獎
[17] Cathode ray tube
[18] Robert Millikan (1868 – 1953) 獲得1923年諾貝爾物理獎
[19] Louis de Broglie (1892 – 1987) 獲得1929年諾貝爾物理獎
[20] George Thomson (1892 – 1975)，獲得1937年諾貝爾物理獎
[21] Clinton J. Davisson (1881 – 1958) ; Lester H Germer (1896 – 1971)
[22] Interference phenomena
[23] 1 Femtometre (fm) = 10-15公尺
[24] Dehmelt, H. (1988). "A Single Atomic Particle Forever Floating at Rest in Free Space: New Value for Electron Radius". Physica Scripta T22: 102-10.
[25] Magnetic moment
[26] 阿道斯．赫胥黎 A. J. Huxley (1894 – 1963) 作家(《美麗新世界》)，名門之後
[27] Science has explained nothing; the more we know the more fantastic the world becomes and the profounder the surrounding darkness. – Aldous Huxley
