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分数电荷 分数电荷是什么？分数电荷是否客观存在？这些问题虽然已涉及到电磁学的前沿，但是我们认为，作为一个中学物理教师，对这些问题应该有所了解．为此，本节将对分数电荷作一简述． 人们发现电子进而测出电子的电量，是从发现阴极射线开始的，大约经历了半个世纪． 阴极射线的本质是什么？在物理界引起了一场争论．1897年约翰·汤姆逊提出阴极射线是一种特殊的高速运动的带负电的粒子，并通过实验得到了验证．“电子”这个名称也是汤姆逊起的． 电子电荷的确定，并把它作为标准电荷是近代物理的一个重要组成部分．实际上，量子化电荷的首次测量是在1909~1913年那段时间内，R·密立根所做的著名“油滴实验”．密立根花了3年多时间测量了数千个油滴的电量，这数千个数据杂乱无章，使人眼花．密立根坚信每个油滴的带电量一定是某个最小电量的整数倍，即自然界存在基本电荷，他遵循这一思想，找出了最小电量库仑，这就是一个电子的电量，也叫基本电荷．现在公认的基本电荷库仑． 在油滴实验之后的20余年时间里，人们把荷电量分别是－e、＋e和0的电子、质子和中子看作是自然界的基本粒子．但是，随着岁月的流逝，物理学家们发现了许多其他的基本粒子．粒子种类的繁多确实使人们感到周围世界的组成错综复杂．于是，理论物理学试图寻找更小的一组真正基本的粒子，所有其他的粒子都可以由它们组成．1964年盖尔曼（M·Geu－Mann）和兹韦格（G·Zweig）提出了一种假说，认为这样的一组粒子是三种叫做夸克的粒子．这三种夸克分别叫做上夸克、下夸克和奇异夸克．它们的不同寻常的特性之一就是具有分数电荷．上夸克的电荷是，下夸克和奇异夸克的电荷都是．这些夸克可以组合而形成质子、中子以及大部分迄今已发现的其他粒子．例如，质子是由两个上夸克和一个下夸克组成．自从这个最早的假设创始以来，物理学家们已预言了其他三种也具有分数电荷的夸克，它们分别是魅夸克、顶夸克和底夸克．另外，高能加速器上产生了一些新粒子，它们被预言是后三种夸克的组合．尽管量子色动力学认为孤立的夸克不能存在，夸克只能相互结合形成带整数电荷的粒子，但是量子色动力学理论并未排除夸克以净电荷为非整数的束缚态存在．因此寻找分数电荷就引起了物理学家们极大兴趣，发现分数电荷就等于令人信服地证实夸克理论． 自1965年开始，美国斯坦福大学一直在进行着一项寻找物质上的自由分数电荷的实验．这种实验实质上是一种大规模的密立根实验——被考察粒子的质量比油滴的质量大一千万倍，实验的原理是根据迈斯纳效应．该大学的费尔班克（W·M·Fairbank）教授等报告，把超导铌球悬浮在磁场中，加上变化的电场以观察铌球的运动，从而测出它们所带的电荷．他们得出结论；观察到了的证据．1979年与1981年他们在改进的仪器上又证实了这一点． 然而，其他不少科学家也作了许多实验，至今却未发现分数电荷的存在．例如1981年旧金山州立大学的科学家小组用动力磁浮置法进行寻找分数电荷的实验，结果未观察到分数电荷，1983年美国加州的劳伦斯伯克利实验室又做了测定分数电荷的实验，他们用重离子（本质上是重原子核动）加速器做实验，他们一共测定了26万个汞滴，但一个分数电荷也没有找到． 斯坦福大学实验室能找到分数电荷，而其他人却都未能找到分数电荷，分数电荷到底有没有，至今仍是一个谜．有一点可以肯定，假若分数电荷确实存在，那么粒子相互作用理论将变得复杂化．