电子的颜色

来源：中国空间科学学会CSSR

作者：雷仕俊

中国科学院紫金山天文台

中国空间科学学会会员

儿子偶然问我，电子是什么颜色？这真是一个很好的问题——我意思是真问对了人。呵呵。

先稍微扯远一点。一般来说，一种性质适用于一定的对象。比如快乐或悲伤就适用于大活人。从一个人到一群人，都可以说他（们）是否高兴。人的情绪当然不能脱离物质基础，像多巴胺什么的。但除了文学性的表达，没有人真会去讨论身上某根骨头或某个细胞是否高兴。“情绪”这种东西它就不适用于一根骨头，这应该很好理解。

很多物理性质也是同样的。比如暗物质如果真如我们目前设想的那样不参与电磁相互作用，不发光不反光不吸收光，那么颜色这样与光有关的性质就完全不适用于暗物质。又比如，温度的实质是多体体系的活跃程度。从一群分子到一群人，我们都可以说它（他）们是否热（热闹）。而对于一个单电子，温度的概念就不再适用。讨论单独一个人是否“热闹”好像也没什么意义。

对于我们人来说，所有的直观想象都是建立在感知的基础上：视觉、听觉、触觉、味觉……而据我所知，人的一切生理活动最终都可以归结到分子层面，归结到电磁相互作用。这就意味着人的感知有一个天然的极限。很多直观感知因此都不适用于亚原子的层次。

比如咸味是由盐的化学性质决定的。大致来说，咸味由氯离子产生，阳离子（如钾钙钠镁等）起辅助作用，并产生其他如苦或涩等味道。从一个氯化钠分子到一大块盐 “咸味”的概念都成立。想象一个巨人把地球像棒棒糖一样放嘴里咂一口，应该也觉得是咸的—海洋占地表70%以上嘛。而决定物质化学性质的最小单位是分子。在比分子更小的尺度上，比如对于一个电子，“味道”这个概念就不再成立了。虽然人们也说基本粒子的“味道”（flavor），但此味道非彼味道，其实只是用来区分基本粒子的种类。

颜色与味道类似。一方面，电子可以呈现所有的颜色。与原子核结合在一起的电子产生了我们常见种种事物的颜色，红花绿叶，蓝天白云……照射它们的阳光则源于太阳表面处于电离状态的电子。这些更为自由的电子能产生各种颜色连续分布的光，而人眼将太阳光这种特定各种颜色的混合感知为白色。事实上，除了正反物质湮灭，我还真不知道有哪种常见的辐射机制和电子无关。另一方面，我们一定要摆脱这样一种认识，就是把一个电子想象成一颗台球弹子，说它“本身”具备某种颜色。事实上电子“本身”无所谓什么颜色，它只是与其他电荷相互作用，而光正是传递这种相互作用的媒介。不同的相互作用就会产生不同的光，最后呈现出不同的颜色，这才是颜色的本质。

回答儿子这个问题也让我自己想通了一个长久以来的疑问。从细胞（10^-6m尺度）到整个宇宙（10^26 m尺度），我们都可以形成一个图像，尽管其间跨越了32个量级。而为什么一到原子亚原子的尺度，直观图像就完全不再适用？我们和原子（10^-10m尺度）原子核（10^-15m尺度）之间的差距还不到上述差距的一半呢。我想至少部分的原因就是前面所说，人的感知基础就到分子水平。从红细胞到红色火星，从红色的霓虹灯到红色的星系，颜色产生的本质都没有不同，只是涉及的原子分子多寡不一。而一旦突破我们感知的物理极限，直观的图像就不再适用。颜色味道不适用于电子，就像情绪不适用于骨头。

越往小的尺度上，我们就越回归到那些最基本的性质，空间、时间、质量、电荷、自旋……而那些在更大尺度上才成立的性质，从颜色味道到温度情绪都是很多具备这些基本性质的基本粒子相互作用的结果。至于说这种典型的还原论的意义和局限，那又是另外的话题了。

老子说，大音稀声，大象无形。电子无所谓什么颜色，而可能呈现任何颜色……