如果你從我們已知的宇宙中取一小塊物質，把它分解成越來越小的成分，那麼最終剩下的物質將再也不能分割。地球上的一切都是由原子組成的，原子又可以進一步分為質子、中子和電子。雖然質子和中子仍可以進一步分裂，但電子卻不能。它們是最早被發現的基本粒子。100多年以後，我們仍不知道該如何將電子分裂。但電子究竟是什麼呢？這就是Patreon的運營商John Duffield想知道的事情，他問道：請您描述一下電子，解釋一下它是什麼，以及為什麼它在和正電子相互作用的時候會如此運動。如您願意，請講解一下它在電場、磁場和引力場中的運動方式，或者請您講解一下電荷及電子為什麼有品質。鄙人將不勝欣喜。

這是我們在最深層次上所知道的周圍最常見的基本粒子之一。

圖解 :氫原子，物質最重要的組成部分之一，存在於具有特定磁量子數的激發態。儘管它的屬性已被明確定義，但對於某些問題，比如“在這個原子中，電子在哪個位置”，仍然只有概率形式的答案。(維基共享使用者Bernd Thaller)

為了理解電子，你必須首先理解粒子的含義。在量子宇宙中，一切物質都同時即是粒子也是波，其中許多確切的屬性現在我們還不能完全知道。你越是試圖確定一個粒子的位置，你就越會破壞它的動量資訊，反之亦然。如果粒子是不穩定的，它的壽命會影響你對它的品質或內能的了解程度。如果這個粒子有一個本徵自旋，在一個方向上測量它的自旋時，另一個方向上電子如何自旋的所有資訊就會被破壞，你就無法探知這些資訊了。

圖解：電子和所有自旋為-1/2的費米子一樣（在一組由全同粒子組成的體系中，如果在體系的一個量子態(即由一套量子數所確定的微觀狀態)上只容許容納一個粒子，這種粒子稱為費米子。或者說自旋為半整數(1/2，3/2…)的粒子統稱為費米子，服從費米-狄拉克統計），在置於磁場中時有兩種可能的自旋方向。進行這樣的實驗會在一個維度上確定它們的自旋方向，但結果會破壞它們在另兩個維度中的自旋方向的資訊。這是量子力學固有的令人沮喪的特性。(CK-12基金會/維基共享)

如果你在一個特定的時刻測量它，即使完全掌握控制它的定律，也無法準確獲悉有關它未來特性的資訊。在量子宇宙中，許多物理屬性都有一個基本的、固有的不確定性。

但並非所有情況都是如此。統治宇宙的量子規則比那些違反直覺的部分要複雜得多，比如海森堡的測不準原理。

圖解：這裡有個關於量子層次上位置和動量之間具有內在不確定性的例證。同時測量這兩個量的能力有限，而這種不確定性往往出現在人們最不期望它出現的地方。(E. Siegel / 維基共享使用者Mas Chen)

宇宙是由量子構成的，量子是現實的組成部分，它不能再進一步分裂成更小的成分。這些構成我們現實的最小基本元件，其最成功的模型被創造性的命名為標準模型。

在標準模型中，量子粒子有兩類：物質宇宙中構成物質和反物質的粒子，以及負責控制相互作用力的粒子。前一類粒子稱為費米子，後一類粒子稱為玻色子。

圖解：標準模型的粒子，右上角是品質(以MeV為單位（兆電子伏，既是一個能量單位，又是一個品質單位。從能量的角度來看，是電場中使電子的電勢升高1伏特的外力所做的功的一百萬倍。電子電量（1.6E-19庫倫)×1V=1.6E-19焦耳，所以1meV=1.6E-13J（焦耳）；從品質的角度來看，1meV=1.6E-13J（焦耳）對應的物質品質為1.6E-13J/(3E8m/s)^2=1.778E-30kg）)。費米子構成最左邊的三列，且具有半整數自旋；玻色子構成了右邊的兩列並具有整數自旋。雖然所有粒子都有對應的反粒子，但只有費米子可以是物質或反物質。(維基共享使用者MissMJ, PBS NOVA，費米實驗室，美國能源部科學辦公室，粒子資料組)

儘管在量子世界中，許多屬性都有其內在不確定性，但有些屬性我們能夠確切地知道。我們稱這些為量子數，它們不僅在單個粒子中是守恆量，而且在整個宇宙中也是守恆量。這些屬性包括：電荷、色荷、磁荷、角動量、重子數、輕子數和輕子族數。就我們所知，這些性質都是守恆的。

圖解：標準模型中的夸克、反夸克和膠子除了具有其他粒子和反粒子所具有的品質和電荷等屬性外，還具有色荷。只能說，所有這些粒子，目前看來都是不可再分的，按照特性可以把它們分為三代。在更高的能量下，可能還存在其他型別的粒子，但它們已經超出了標準模型的描述。(E. Siegel /《Beyoud The Galaxy銀河系之外》)

此外，在強相互作用和電磁相互作用中還有一些其他屬性是守恆的，但是弱相互作用會破壞它們的守恆。這些屬性包括：弱超電荷、弱同位旋和夸克的味量子數(如奇異夸克、桀夸克、底夸克、頂夸克 )。

每一個存在的量子粒子都具有允許的量子數的特定值。其中一些屬性永遠不會改變，例如電荷，因為一個電子始終帶有-1的電荷，一個上夸克始終帶有+⅔的電荷。但其他屬性，例如角動量，可以有各種各樣的取值，比方說，電子的角動量可以是可以+½或-½，玻色子的角動量可以是-1、0、+ 1。

圖解：所有已知基本粒子的弱同位旋、T3、弱超電荷、Y_W和色荷的模式，大致沿垂直方向通過弱混合角（ weak mixing angle，也稱為溫伯格角，是在溫伯格-薩拉姆的理論電弱相互作用的一個引數，是粒子物理學標準模型的一部分，通常表示為θw）旋轉，來顯示電荷Q。中性希格斯場(灰色正方形部分)打破了弱電對稱性，並與其他粒子相互作用，使其具有品質。(維基共享，CJEAN42)

組成物質的粒子被稱為費米子，它們都有反物質的對應物：反費米子。玻色子負責粒子之間的作用力和相互作用，它們既不是物質也不是反物質，但卻可以與物質和反物質發生相互作用，並且也可以與它們自身發生相互作用。

我們通過觀測費米子和反費米子之間、費米子與費米子之間、反費米子與反費米子之間的玻色子交換，來觀察這些相互作用。你可以讓一個費米子和一個玻色子相互作用產生另一個費米子；還可以讓一個費米子和一個反費米子相互作用產生一個玻色子；也可以讓一個反費米子和一個玻色子相互作用產生另一個反費米子。

只要你使所有需要守恆的總量子數守恆，並且遵守標準模型的粒子和相互作用所闡述的規則，任何沒被禁止的事情都將以某種有限概率不可避免地發生。

圖解：ESA(歐洲航天局)的Integral號衛星，對低能量下正電子或電子湮滅的特徵訊號——511 keV光子線——進行了全面的測量。(歐洲航天局Integral天文臺；J. Knodlseder (CESR)和SPI團隊)

重要的是，在我們列舉電子的所有屬性之前，要注意這僅僅是我們現今對宇宙構成基本層面的最佳理解。我們不知道是否有一個更基本的描述；我們不知道標準模型是否有一天會被一個更完整的理論取代；我們不知道是否有額外的量子數，以及它們何時可能(或可能不)守恆；我們不知道如何將重力納入標準模型。

雖然不言而喻，但仍需要在這裡明確指出：這些屬性提供了我們現今所知的電子的最佳描述。在未來，它們可能會變成一個不完整的描述，或者僅僅是對電子(或構成我們現實的更基本實體)究竟為何的近似描述。

圖解：上圖展示了標準模型的結構。該圖形用一種更為完整、更不容易產生誤導的方式展示了關鍵關係和模式，而非基於較為熟知的4x4 粒子方塊想象圖。特別是，這張圖描述了標準模型中的所有粒子(包括它們的字母名稱、品質、自旋、旋向性、電荷以及與規範玻色子的相互作用，即具有強作用力和電弱力)。(維基共享，Latham Boyle 和Mardus)

也就是說，電子是：費米子(不是反費米子)；電荷為-1(單位為基本電荷)；零磁荷；零色荷；基本內在角動量 (或自旋) 為½，這表示它可以取值為+½或-½；重子數為0；輕子數為+1；輕子族數在電子為+1，在μ介子族中為 0, 在τ介子族中為0；弱同位旋為-½；帶一個-1的弱超電荷。

這些就是電子的量子數。它耦合了弱相互作用(W和Z玻色子)和電磁相互作用(光子)，以及希格斯玻色子(擁有一個非零靜止品質)。它不與強作用力耦合，因此不能與膠子相互作用。

圖解：如圖所示，倫敦大學學院(University College London)的正電子束流實驗，將電子和正電子結合起來，創造出一種被稱為電子偶素的準原子，該準原子衰變的平均壽命約為1微秒。衰變產物通過標準模型可以準確地預測出來，通常進入2或3個光子，這取決於電子和構成電子偶素的正電子的相對自旋。 (UCL)

如果一個電子和一個正電子(有一些相同的量子數和一些相反的量子數)相互作用，它們通過電磁或弱作用力相互作用的概率是有限的。

由於電子和正電子的電荷相反，它們相互吸引的可能性將主導大多數相互作用。它們可形成一種不穩定的原子狀實體，稱為電子偶素，其結合在一起的方式與質子和電子的結合方式類似，只不過電子和正電子的品質是相同的。

然而，由於電子是物質而正電子是反物質，電子和正電子也可以湮滅。這取決於許多因素，比如其相對自旋。它們衰變的方式是有限的：它們可能衰變成2個、3個、4個、5個或者更多的光子(但最常見的是2個或3個)。

圖解：宇宙中其他基本粒子的品質決定了它們在何時、在何種條件下可以被創造出來，也描述了在廣義相對論中如何彎曲時空。粒子、場和時空的屬性都是描述我們棲居的宇宙所必需的。(圖15-04A引自UNIVERSE-REVIEW.CA)

當你把一個電子置於電場或磁場中時，光子與它相互作用，改變了它的動量。簡單來說就是，它們會產生一個加速度。由於電子與希格斯玻色子的相互作用，使得它也有一個與其相關的靜止品質，所以它也會在引力場中加速。但是，標準模型卻不能解釋這一點，我們所知道的任何量子理論也不能解釋這一點。

在有量子引力理論之前，我們必須把電子的品質和能量置於廣義相對論這一非量子引力理論中。這足以為我們設計的每一個實驗提供正確答案，但它會在某些基本層面上失效。例如，如果你問到單個電子穿過雙縫時引力場會發生什麼變化，廣義相對論就沒有答案。

圖解：電子一次一個通過雙縫，就會產生波動圖形。但你要測量電子通過的“哪條縫”，你就破壞了此前的顯示的量子干涉圖樣。標準模型和廣義相對論的規則沒有告訴我們電子穿過雙縫時引力場發生了什麼，這就需要某些超出我們目前所能理解的理論來解釋，比如量子引力。(維基共享，Dr.Tonomura 和Belsazar)

電子是我們宇宙中不可思議的重要組成部分，在我們可觀測宇宙中大約有〖10〗^80個電子。它們是組成原子的必需之物，原子構成了分子、人類、行星等等等等。在我們的世界中，從磁鐵到電腦，再到可觸控到的一切巨集觀物體，都是由它們組成的。

但它們之所以具有這些屬性，還是因為支配宇宙的基本量子規則。標準模型是我們現今對這些規則最好的描述，它也是電子與粒子可以相互作用和不能相互作用的最好描述

電子為什麼具有這些超出標準模型範圍的特殊屬性呢？我們知道，人類現今只能描述宇宙是如何運作的。為什麼它會這樣運作，仍然是一個懸而未決的問題，至今都沒有令人滿意的答案。我們所能做的就是繼續調查，並努力找尋一個更根本的答案。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Berry- Ethan Siegel