الکترون از چه چیزی تشکیل شده است؟

این سوال که پروتون‌ها یا نوترون‌ها از چه چیزی تشکیل شده‌اند، ظاهرا پاسخ ساده‌ای دارد: کوارک‌ها و گلوئون‌ها. گرچه وقتی به سومین جزء اتم‌ها یعنی الکترون‌ها می‌رسیم، پاسخ به این سادگی نیست. علت آن است که تا آنجا که می‌دانیم الکترون‌ها ذرات بنیادی هستند. به عبارت دیگر آن‌ها اجزای کوچک‌تری ندارند. این موضوع چیزی نیست که بتوان آن را کاملا ثابت کرد؛ اما شواهد موجود با اطمینان بالا به آن اشاره دارند. بدین ترتیب این سوال بسیار دشوارتر مطرح می‌شود که ترکیب ذره بنیادی چیست و چه فرقی میان الکترون‌ها و ذرات دیگر وجود دارد؟

کلمه اتم از واژه‌ی «غیرقابل برش» در زبان یونانی آمده است. این نام گذاری به استدلال فیلسوف یونانی  دِموکریتوس برمی‌گردد که می‌گفت ماده باید از ذراتی تشکیل شده باشد که نتوان آن را بیشتر تقسیم کرد.

بیست و سه قرن بعد، متوجه شدیم اجسامی که آن‌ها را اتم می‌نامیم، درواقع به مفهوم مورد نظر دموکریتوس، اتم نبوده و حداقل از دو جزء کوچک‌تر و به جز هیدروژن، از سه جزء کوچک‌تر تشکیل شده‌اند.

زمانی که ترکیب پروتون‌ها و نوترون‌ها فاش شد، به‌راحتی می‌شد پیش‌بینی کرد که ممکن است هر ذره‌ای که کشف می‌کنیم، از اجزای کوچک‌تری تشکیل شده باشد. با‌این‌حال، الکترون‌ها تاکنون نشان داده‌اند که قابل تقسیم به اجزای کوچک‌تر نیستند و حتی پس از ۱۲۵ سال از کشف آن‌ها، نشانه‌ای از وجود ذرات کوچک‌تر درونشان دیده نشده است.

برای بررسی اینکه آیا الکترون‌ها از اجزای کوچک‌تری تشکیل شده‌اند، دانشمندان دو روش را امتحان کرده‌اند: برخورد دادن الکترون‌ها به یکدیگر برای مشاهده‌ی اینکه آیا چیزی از آن‌ها آزاد می‌شود و بررسی ساختار داخلی آن‌ها در انرژی‌های بسیار بالا. با‌این‌حال، هیچ‌کدام از این روش‌ها وجود ذرات کوچک‌تر درون الکترون را نشان نداده‌اند.

در همین حین، کشف کردیم که الکترون‌ها، مانند سایر ذرات بسیار کوچک، هم رفتار ذره‌ای دارند و هم رفتار موجی. برخی ذرات فرضی به‌عنوان اجزای الکترون‌ها پیشنهاد شده‌اند، اما فیزیک آن‌ها با مدل استاندارد فیزیک ذرات همخوانی ندارد.

گرچه مدل استاندارد معمولاً به‌عنوان توضیح کاملی از واقعیت شناخته نمی‌شود و احتمال وجود ذراتی که در آن ذکر نشده‌اند، وجود دارد، ماهیت بنیادی الکترون معمولاً مورد شک و تردید قرار نمی‌گیرد.

با توجه به اینکه الکترون‌ها خیلی سبک‌تر از ذرات هسته اتم هستند، جای تعجب ندارد که آن‌ها از ذراتی سبک‌تر ساخته نشده باشند. پس اگر الکترون‌ها از ذرات کوچک‌تر تشکیل نشده‌اند، آیا ماده‌ای غیرقابل تقسیم وجود دارد که این ذرات از آن ساخته شده باشند؟

این همان جایی است که تصور آن دشوار می‌شود. به جای اینکه الکترون‌ها از ماده‌ای خاص ساخته شده باشند، فیزیکدان‌ها آن‌ها را به‌عنوان «برانگیختگی» در میدان فیزیکی می‌بینند. به عبارت دیگر، الکترون‌ها ماده نیستند، بلکه نوساناتی در میدان‌های بنیادی هستند که در تمام فضا وجود دارند.

فیزیکدان‌ها برای کمک به درک بهتر الکترون، از مفهومی به نام «میدان الکترون» استفاده می‌کنند. به این معنا که الکترون‌ها نه به‌عنوان ذرات مستقل، بلکه به‌عنوان نوساناتی در این میدان فیزیکی وجود دارند. این میدان در سراسر فضا پخش شده و هر بار که برانگیختگی در آن رخ می‌دهد، چیزی که به‌عنوان الکترون می‌شناسیم، شکل می‌گیرد.

برهم‌کنش‌های میدان الکترون با سایر میدان‌ها ویژگی‌های مختلف الکترون‌ها را تعیین می‌کند. برای مثال، میدان هیگز است که به ذرات مختلف، از جمله الکترون‌ها، جرم می‌دهد. به عبارت دیگر، الکترون‌ها و دیگر ذرات ازطریق تعامل با میدان هیگز، جرم خود را به دست می‌آورند.

توصیف چیزی به‌عنوان «برانگیخته» در یک میدان ممکن است برای غیرفیزیکدان‌ها کاملاً متقاعدکننده نباشد. اما متاسفانه یا شاید خوشبختانه، جهان درجهت راضی‌کردن ما عمل نمی‌کند و این بهترین توضیحی است که تاکنون برای درک رفتار ذرات بنیادی داریم.