电子能被撞碎吗？——北京正负电子对撞机的物理真相

出品：科普中国

作者：子乾（科普创作者）

监制：中国科普博览

在科幻电视剧《三体》中，“三体人”通过自己的科技影响了地球上粒子加速器的运行，最终使得实验的结果变得毫无规律可言，电视剧中出现的粒子加速器就是我国第一个大科学装置——北京正负电子对撞机（BEPC）。这一情节不仅展现了科幻作品的想象力，也让更多人对这台真实的科研设备产生了浓厚兴趣。

图片来源：新京报

最近，有网友提出了一个有趣的问题：“北京正负电子对撞机是否通过“打碎电子”来发现了新的基本粒子，从而说明电子不是基本粒子，而是打碎出的碎片组成的？”这种说法听起来似乎有道理，但它真的符合科学事实吗？

首先，这个问题里包含两个问题，第一，电子是基本粒子吗？第二，北京正负电子对撞机到底在“对撞”什么？目标是做什么？把电子“打碎”了吗？让我们从现代物理学的角度，揭开这一问题的真相。

电子是基本粒子吗？

基本粒子就是没有内部结构的粒子，在理论上符合一系列由点粒子构建的理论的性质。目前的实验结果并没有显示电子有任何内部结构，所以当前看，电子是基本粒子。但不排除在未来实验中发现电子内部结构，目前的认知都是在特定条件下的。

所以，电子或许是基本粒子，不管未来实验如何改变和提高，都发现不了内部结构，也或许不是基本粒子，在未来的实验中发现内部结构。但我们能确定的是，在当前的能量下，电子可以被认为是基本粒子，或者说，用基本粒子的模型描述电子，由此构建的理论能很好地描述我们观测到的实验现象。

除了电子，我们常见的光子是基本粒子，这两年大火的中微子是基本粒子。构成原子核的质子和中子不是基本粒子，它们是由夸克和胶子构成的，而夸克和胶子则是基本粒子。

另外，大家耳熟能详的希格斯粒子目前也没有发现内部结构。

电子被撞碎了吗？

在北京正负电子对撞机中，正负电子对撞，产生了大量的其它粒子，在这个过程中，电子被撞碎了吗？如果没有，为什么会有非正负电子的粒子出现呢？是不是只有被撞碎才会有新的粒子出现呢？

先考虑一个现象：一个没有通电的灯泡里（钨丝、pn结）有光子吗？答案应该是否定的。但是我们一通电，就有源源不断地光子从中发射出来，只要灯泡不坏、电能持续，光子就永不停歇地涌出来。这个过程中灯泡中的任何物质或者粒子都没有被撞碎，但是光子就是产生了，可以认为是“无中生有”，只不过这个过程需要满足能量守恒、动量守恒、电荷守恒等一系列限制条件。

再举个粒子，正负电子湮灭变成一对光子，在这个过程中，正负电子完全消失了，两个光子被“凭空产生”了。用大家更熟悉的话说，可以认为是“能量产生物质”（当然，对于这句话要批判地看待）。这个过程中也不存在“电子被撞碎了”的过程，更不能认为是正负电子内藏着光子。

这里可以考虑反例，以此反驳“电子内有光子”这样的说法：

第一，正负电子对撞也可以产生三个光子、四个光子甚至是更多的光子，那么正负电子中到底存在多少个光子呢？

第二，两个光子相撞也可以产生正负电子对，那么到底是光子内有电子，还是电子内有光子呢？

第三，两个光子相撞也可以产生其它正负粒子对，比如正反夸克对、正反缪子对，那么光子内到底存在什么呢？

第四，一对正负电子对撞后还有可能变成两对正负电子，那多出的一对正负电子又是藏在哪呢?

第五，2024年，北京正负电子对撞机发布了一个结果，发现了一个疑似“胶球”的粒子，它是由胶子构成的，而胶子只参与强相互作用，电子不参与强相互作用，如果电子内藏胶子，这岂不是矛盾吗？

……

这样的过程有很多，而且多种多样，如果用“电子内有其它粒子”、“电子被打碎后重组”就难以解释，更不用说定量地计算了。

实际上，根据目前量子场论的研究，只要粒子之间存在相互作用，不管是直接还是间接的，就都有机会相互转化，只要条件合适。电子不仅与光子有相互作用，还可以通过弱相互作用与中微子相互作用，还可以通过电磁相互作用变成夸克后与其它参与强相互作用的众多粒子发生作用，这个过程不存在“撞碎”这样复合粒子/具有内部结构粒子才有的说法。

粒子相互转化的过程其实并不能理解，不同的粒子可以理解成不同的态，在一个系统中，初始态经过演化后变成另一个态，是非常正常的一件事。比如说，电子自旋向上的态，你给踢一脚，变成自旋向下的态，就可以认为是“上电子”变成了“下电子”，但是不能理解为“上电子”内藏“下电子”。

当然，对于非基本粒子的对撞，是存在被打碎、碎片重组的情况，这样的现象存在于大型强子对撞机（LHC）中，其中发生对撞的粒子是质子-质子，如前文所说，质子是复合粒子，在对撞的时候，比如说，会发生两个质子内的夸克对撞的情况。在另外一种对撞——重离子对撞中（比如位于美国布鲁克海文国家实验室的相对论性离子对撞机中），发生对撞的是各种各样的原子核，两个原子核对撞，大量的能量短时间内被沉积在原子核这么大的区域内，温度迅速升高，原子核、质子、中子也都会被熔化，其内部的夸克和胶子都会被释放出来，变成所谓的“夸克汤”（学名叫做“夸克胶子等离子体”），之后体系膨胀降温，夸克胶子重新组合变成各种各样的复合粒子。

北京正负电子对撞机到底在“对撞”什么？

作为我国第一个大科学装置，北京正负电子对撞机1984年10月动工兴建，1988年10月完成建设，成功实现正负电子对撞，当时被称为是继“两弹一星”后，我国在高科技领域又一重大突破性成就。

对撞机埋于地下

图片来源：中国科学院高能物理研究所

北京正负电子对撞机到底在“对撞”什么？正负电子对撞机将电子和正电子储存在环形的高真空管道内，使之以接近光速的速度沿相反方向运动，在指定的点上（对撞机内）对撞。通过探测正负电子碰撞后的产物来寻找新粒子以及研究各种粒子的性质。

从2004年开始，北京正负电子对撞机进入了重大改造，于2009年7月17日完成验收。改造后的北京正负电子对撞机（BEPCⅡ）在世界同类型装置中继续保持领先地位，成为国际上最先进的双环对撞机之一。利用北京正负电子对撞机的同步辐射装置，中国科学家也取得了众多国际一流的研究成果。

北京正负电子对撞机作为我国重要的科研设施，不仅为探索微观世界的奥秘提供了强大工具，也展现了人类对自然规律的深刻理解。正负电子的对撞并非“打碎”电子，而是通过能量转化创造出新的粒子，这一过程揭示了物质与能量的动态联系，体现了量子世界的奇妙特性。未来，随着科学技术的进步，我们或许发现更多的基本粒子，科学探索的脚步永不停歇。北京正负电子对撞机的每一次实验，都是人类向物质深处发出的追问，也是我们对真理不懈追求的见证。