本文最初发布于 Knowable Magazine。
很难想象一个没有电子的世界。没有电子，就没有电视、收音机、互联网。没有智能手机、电脑、电力。更不用说化学物质、食物、生命。没有原子。
当然，电子实际上一直都在，而且数量众多。自宇宙大爆炸后的最初瞬间起，它们就遍布整个宇宙。但尽管它们无处不在，在20世纪初之前，人类对它们的了解却知之甚少。在那之前，关于静电和电流的奇异现象是由什么引起的，只有模模糊糊的线索。
几个世纪以来，追寻这些线索的进程缓慢。但一旦目标被捕获，其身份得到确立，电子就开启了现代技术的魔力，并催生了新的科学领域。正是电子引领科学家们进入了量子力学这个奇妙而怪诞的世界，而量子力学今年正值百年华诞。对电子行为及其量子特性的了解，以古人无法想象的方式改变了文明。
古希腊哲学家确实隐约感觉到物质相互作用中存在某种神秘之处。众所周知，琥珀与丝绸或毛皮摩擦后，能够吸引小而轻的物体——这是如今被称为静电的现象。公元前600年左右的米利都的泰勒斯甚至推测，琥珀的力量与磁铁矿吸引铁的特性有某种共同之处。
古希腊时期和中世纪的进步有限。但在16世纪末，英格兰女王伊丽莎白的御医威廉·吉尔伯特注意到，许多物质，包括玻璃棒，在与丝绸摩擦后，会产生与琥珀相似的吸引力。吉尔伯特称这些棒子为“电动体”或“电导体”，源自希腊语中“琥珀”一词“elektron”。
18世纪中期，本杰明·富兰克林对电的奥秘进行了更深入的探索。富兰克林以证明闪电是一种电而闻名，他还提出了基本概念，并为未来的电科学研究提供了许多术语。
科学史家I.B.科恩写道：“他将诸如‘加’和‘减’、‘正’和‘负’、‘电荷’和‘电池’等技术词汇引入了与电相关的科学话语体系。”
富兰克林认为存在一种单一的电的流体——或“电火”——它独立于其他物质而存在。例如，用人手摩擦过的玻璃，并非*创造*了电火；相反，在摩擦过程中，预先存在的电火的微粒从手中转移到了玻璃上。换句话说，玻璃获得了富兰克林所谓的正电荷；丝绸因缺乏电火而带有负电荷。
玻璃获得的电火，后来被证明就是电子。（唉，后来的术语约定要求将电子指定为负电荷。但这并非富兰克林的过错。）
富兰克林推测，他的电火，或流体，“由极其微小的粒子组成”，这些粒子能“轻易地穿透普通物质”。如果有人怀疑电火穿过物体的能力，富兰克林会说，“从一个充电的大玻璃罐中获得的电击……很可能会让他信服。”
19世纪，电气研究蓬勃发展，最终人们理解了电和磁之间的相互关系，这种关系体现在电磁波上，而电磁波后来才使得无线电、电视和Wi-Fi成为可能。但富兰克林电火的本质仍然模糊不清。
一个关键的发展是发现一个装有低压气体的玻璃管能够导电。当电池的导线连接到管子两端的电极时，从负极开始出现绿色的辉光。由于负极被称为阴极，所以这种绿色辉光被称为阴极射线。
英国物理学家威廉·克鲁克斯的实验表明，阴极射线沿直线传播，这表明它们是光的一种形式。但克鲁克斯随后又证明，磁铁能够弯曲射线的路径，从而排除了光线的可能性。当时，欧洲顶尖物理学家们就这些射线是由波还是微小粒子组成展开了辩论。
随着19世纪末的临近，阴极射线辩论与其他两个电气问题结合在一起：是否存在一个基本的电荷单位，如果存在，是否有一种粒子携带该电荷——一种比原子更小的基本粒子。
英国物理学家J.J.汤姆孙处于调查这些问题的前沿。汤姆孙接受的是数学训练，但在著名的卡文迪许实验室从事物理学研究，并在受人尊敬的瑞利勋爵手下工作。1884年，汤姆孙接替瑞利勋爵成为卡文迪许实验室的首席教授。
1897年，汤姆孙证明阴极射线中的电荷与一个确定的质量相关，从而确立了电子作为一种粒子的地位。这个质量与电荷的比值表明，这个电荷单位——电的原子——是由不到氢原子质量千分之一的质量携带的。
汤姆孙在皇家学会的一次讲座中宣布他的发现时承认：“假设存在一种比元素原子更精细分割的物质状态，这是相当惊人的。”然而，这正是他的实验所证明的。
更重要的是，汤姆孙表明，无论管中使用什么气体，也无论阴极由什么元素制成，这种粒子都具有相同的质量。
J.J.的儿子乔治写道：“在那之后，任何理性的人都无法真正拒绝相信存在比原子小，或者至少比原子轻的粒子，并且这些粒子在物质的构成中起着根本性的作用。”
因此，（老）汤姆孙因发现电子——第一个被识别出来的亚原子粒子——而获得认可。他称他的发现为“电子”。
但奇怪的是，这个粒子早在1891年，也就是其被发现的数年前，就被爱尔兰物理学家乔治·约翰斯通·斯托尼命名为电子。斯托尼（还记得，来自希腊语中的琥珀一词）创造了这个词来指代电的基本单位，尽管当时没有人知道它是什么。汤姆孙确定了这种粒子后不久，“电子”就成了流行的术语。
原子内部
继X射线和放射性发现之后，电子的出现进一步加速了人们试图弄清楚原子内部到底发生了什么的研究热潮。
一个特别的问题是，在正常情况下电中性的原子如何能够包含带电粒子。为了抵消电子的负电荷，某种形式的正电荷也必须存在于原子内部。但没有人知道允许这种共存的正确结构。
汤姆孙提出，带负电的电子嵌入一种正电的“布丁”中，电子扮演着葡萄干的角色。然而，没有证据支持这种安排，而整个想法在1911年被粉碎，当时欧内斯特·卢瑟福宣布发现了原子核。每个原子都包含一个微小的核心，就像一个圆形剧场里带正电的舞台，而带负电的电子则被 relegated 到廉价座位。
卢瑟福发现原子核是一项出乎意料的、看似不可能的发现。即使是本·富兰克林也会感到困惑。物理学家们关于电荷的一切发现都表明，带负电的电子会在极短的时间内螺旋式地落入带正电的原子核，并在过程中释放电磁能量。
但很快，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔援引了量子物理学的新规则，将电子从死亡螺旋中拯救了出来。
玻尔的原子描绘了电子在特定的允许轨道上围绕原子核运动，阻止它们通过向原子核运动而释放能量。（只有当电子从一个允许轨道跳到另一个轨道时，才会释放或吸收能量。）
图片来源：H. HOLST ET AL / THE ATOM AND THE BOHR THEORY OF ITS STRUCTURE 1923
玻尔的想法（他自己也很清楚）是初步的。他的数学只适用于比氢原子更复杂的原子。但是，由德国物理学家维尔纳·海森堡于1925年提出的更复杂的方法，确立了量子力学作为电子行为的规则手册。不久之后，化学家们开始应用量子数学来解释电子如何介导原子之间的结合，形成化学化合物。
但电子带来的惊喜并未结束。甚至在海森堡用电子作为粒子构建原子模型之前，法国物理学家路易·德布罗意就提出电子实际上可能像波一样穿过空间。在海森堡的研究成果出现后不久，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔设计了原子的电子波模型。薛定谔的波数学得出的结果与海森堡的粒子图像完全相同。
贝尔实验室的克林顿·戴维森及其同事，以及苏格兰阿伯丁大学的乔治·汤姆孙，独立地通过实验证实了波的图像。两人都发现，穿过晶体的电子束会偏离路径，形成衍射图样，而只有波才能产生这种图样。
戴维森和汤姆孙于1937年获得了诺贝尔物理学奖。这是物理学史上的一大讽刺：J.J.汤姆孙因证明电子是粒子而获得1906年诺贝尔奖；他的儿子乔治因证明电子是波而获得1937年诺贝尔奖。
1927年，玻尔提出了一个摆脱这种困境的方案。他认为波和粒子两种图像都是正确的，但它们只适用于互斥的实验装置。你可以设计一个实验来证明电子是波，也可以设计一个实验来证明它是粒子，但你无法构建一个同时揭示波和粒子的实验。
玻尔的解决方案，称为互补性，暂时解决了这个问题，但它引发了关于如何解释量子力学数学的争论，这种争论持续了一个世纪。
尽管解释上的争议持续不断，但量子物理学最终发展成为驱动依赖电子的奇异技术的引擎。随着电子电路的微型化，从最初笨重的真空管到整洁的晶体管和微小的集成电路，社会见证了技术革命的洪流，以及对自然界更深入的理解。
电子的行为渗透到自然的各个领域，从单个原子的化学性质到生物分子的复杂性。对电子的理解促成了设计材料、消费电子产品和巨大计算能力的时代。从电子邮件到电子显微镜，从太阳能电池到激光器，电子一直是创造现代世界的关键要素。
正如本杰明·富兰克林所预见的那样，他的“电的流体”终将为人类带来丰厚的回报。“我们对这种电的流体的有益用途还不太了解，”他写道，“但毫无疑问，它有，而且用途很大。”
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