為什么所有的電子都一模一樣？

在我們的物理學(xué)中，電子被認(rèn)為是全同粒子（identical particles），什么意思呢？簡(jiǎn)單講就是，對(duì)于所有的電子來講，無論其來源如何，它們都具有一模一樣的內(nèi)稟屬性（如靜質(zhì)量、電荷、自旋、磁矩等）。

比如說你有兩個(gè)電子，如果你讓它們互相接近，進(jìn)而使其波函數(shù)發(fā)生重疊，那么它們就會(huì)成為沒有個(gè)體身份的同一種存在，在這種情況下，你就無法單獨(dú)指認(rèn)其中的某一個(gè)電子，而只能將其視為一個(gè)整體，只能說“這里有兩個(gè)電子”。

實(shí)際上，在過去的一百多年時(shí)間里，物理學(xué)家用盡了各種方法，把測(cè)量精度推向了極致，試圖在實(shí)驗(yàn)中找出電子之間的哪怕一絲一毫的不同。結(jié)果呢？一無所獲。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，無論電子來自哪里、何時(shí)產(chǎn)生，它們的內(nèi)稟屬性都是一模一樣的。

另一方面來講，即使從理論上來講，電子也應(yīng)該是全同粒子，因?yàn)槿绻皇沁@樣的話，我們熟悉的世界將不復(fù)存在。

舉個(gè)例子，相信大家都聽說過泡利不相容原理，其內(nèi)容簡(jiǎn)單來講就是，對(duì)于同種類型的“費(fèi)米子”來講，它們不愿意其他的小伙伴與自己占據(jù)相同的量子態(tài)。

簡(jiǎn)單來講，所謂“費(fèi)米子”就是構(gòu)成物質(zhì)的粒子，所以電子當(dāng)然屬于“費(fèi)米子”，它們會(huì)遵循泡利不相容原理。

而根據(jù)能量最低原理，宇宙萬物都會(huì)自發(fā)地傾向于能量最低狀態(tài)，所以原子中的電子都會(huì)自發(fā)地向能量最低的軌道躍遷，但由于泡利不相容原理的限制，它們并不能全都擠在能量最低的軌道上，而是會(huì)從能量最低的軌道開始，一個(gè)一個(gè)地填滿。

比如說第一個(gè)軌道（1s軌道）最多只能容納兩個(gè)自旋相反的電子，填滿了就得去能量更高一點(diǎn)的第二個(gè)軌道（2s, 2p軌道），第二個(gè)軌道填滿了，就得去第三個(gè)……

就這樣，電子們被迫占據(jù)了不同的能層和軌道，形成了我們熟悉的原子電子層結(jié)構(gòu)，而正是這種結(jié)構(gòu)，決定各種元素的化學(xué)性質(zhì)。

然而這樣的情況有一個(gè)重要前提就是，所有的電子都是全同粒子。因?yàn)槿绻娮颖舜寺杂胁煌敲磁堇幌嗳菰硪簿褪Я耍谶@種情況下，原子電子層結(jié)構(gòu)就會(huì)變得混亂不堪，化學(xué)周期律也會(huì)消失，我們熟悉的世界也將不復(fù)存在。

那么，為什么所有的電子都一模一樣呢？這個(gè)問題可以通過量子場(chǎng)論來進(jìn)行合理的解釋。

簡(jiǎn)而言之，量子場(chǎng)論建立基于經(jīng)典場(chǎng)論，狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論框架，該理論認(rèn)為，場(chǎng)是比粒子更基本的物質(zhì)狀態(tài)，任何粒子都是場(chǎng)的量子激發(fā)，每一種粒子都有自己相應(yīng)的場(chǎng)，這些場(chǎng)充滿了整個(gè)宇宙。

在量子場(chǎng)論中，電子對(duì)應(yīng)的就是“電子場(chǎng)”，這個(gè)“電子場(chǎng)”可視為充斥著整個(gè)宇宙的一個(gè)量子場(chǎng)，無論在哪個(gè)地方，其性質(zhì)完全相同，由于每個(gè)電子都是這個(gè)場(chǎng)的量子激發(fā)，因此它們能量、電荷、自旋、磁矩等內(nèi)稟屬性就都是一模一樣的。

當(dāng)然了，其他的解釋也有，比如說單電子宇宙論認(rèn)為，宇宙中可能只有一個(gè)電子，這個(gè)電子在時(shí)空中不斷穿梭、折返，它沿時(shí)間正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)為電子，沿時(shí)間反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)則表現(xiàn)為正電子（電子的反粒子），由于這個(gè)電子的世界線在宇宙時(shí)空中交錯(cuò)無數(shù)次，我們才會(huì)在不同的時(shí)空節(jié)點(diǎn)看到大量的電子。

又比如說虛擬宇宙論認(rèn)為，我們所在的宇宙，可能是由計(jì)算機(jī)程序模擬出來的，在這種情況下，程序就可能會(huì)定義一個(gè)“電子類”，并為這個(gè)類設(shè)定好一套標(biāo)準(zhǔn)屬性，如此一來，需要多少個(gè)電子，就可以實(shí)例化多少個(gè)電子，由于所有電子的底層代碼都是完全相同的，它們自然也就一模一樣了。

不過由于這些解釋都有點(diǎn)玄乎，因此并沒有獲得普遍認(rèn)可。總體來說，基于量子場(chǎng)論的解釋目前最被科學(xué)界接受，因?yàn)樗茉谝阎碚摽蚣苤凶郧⒌卣f明電子的全同性。但話說回來，這也只是我們當(dāng)下的理解，或許宇宙中仍藏著更深的秘密。