如果你从我们所知的宇宙中取出一块物质，将它不断拆解成更细小的成分，最终你会发现，有一部分物质无法再继续。地球上的一切物质，都是由原子构成的，而原子本身又由质子、中子和电子等更小的粒子组成。尽管质子和中子可以进一步，但电子却无法再被分解。它们是最早被发现的基本粒子，至今，科学家们仍未找到任何方法可以将电子成更小的粒子。那么，电子究竟是什么呢？这是Patreon平台运营商John Duffield所提出的问题。他请求道：“请描述一下电子，解释它是什么，为什么在与正电子相互作用时，它会表现出如此独特的运动方式。如果可以的话，请讲解电子在电场、磁场和引力场中的运动，或者阐明电子为何拥有质量，以及电荷是什么。”对于这样的提问，他充满了好奇。
这是我们目前对宇宙最基本的认知之一——电子，是我们周围最常见的粒子之一。
要理解电子，首先需要理解粒子是什么。在量子力学的框架下，物质既具有粒子性，又具有波动性。许多粒子的属性，我们现在还无法完全掌握。一个粒子的位置和动量不能同时被精确测量，越是明确一个粒子的位置，它的动量信息就会变得模糊，反之亦然。如果粒子本身是不稳定的，它的寿命也会限制我们对其质量或内能的理解。而如果一个粒子有自旋，在某一方向上测量其自旋时，另一个方向上的自旋信息就会丧失，无法得知。
即使你在某一时刻测量了它，并且完全掌握了支配它的物理定律，你也无法精确预测它未来的状态。在量子世界里，很多物理属性充满了不确定性。
并非所有情况都是如此。支配宇宙的量子法则比那些看似违反直觉的现象要复杂得多。例如，海森堡的“不确定性原理”虽然揭示了粒子性质的模糊性，但它也指向了更深层的规律性。
宇宙由量子构成，量子是构建现实的最基本元素，它们无法再分解成更小的单位。现代物理学通过一个被称为“标准模型”的理论，成功地描述了这些量子粒子的行为。
标准模型将粒子分为两大类：一类是构成物质和反物质的粒子，另一类则是负责相互作用力的粒子。前者被称为“费米子”，后者称为“玻色子”。
尽管量子世界充满了不确定性，但某些属性却是确定的，并且是守恒的。这些被称为“量子数”，它们不仅在单一粒子内部守恒，在整个宇宙中也是守恒的。量子数包括：电荷、色荷、磁荷、角动量、重子数、轻子数和轻子族数。我们目前所知的这些量子数是守恒的。
在强相互作用和电磁相互作用中，还有一些守恒的量子数。弱相互作用则能这些量子数的守恒。包括：弱超电荷、弱同位旋、以及夸克的味量子数（如奇异夸克、桀夸克、底夸克、顶夸克）等。
每个量子粒子都有一组特定的量子数值。有些量子数是固定不变的，比如电子的电荷总是-1，上夸克的电荷总是+⅔。但也有些量子数是可变的，比如电子的角动量可以取+½或-½，玻色子的角动量则可能是-1、0或+1。
构成物质的粒子被称为费米子，而它们都有相应的反物质伙伴——反费米子。玻色子则不属于物质或反物质，但它们负责粒子间的相互作用，并且可以与物质或反物质发生相互作用，甚至它们自己之间也可能发生相互作用。
通过观察费米子和反费米子、费米子与费米子、以及反费米子与反费米子之间玻色子的交换，我们可以了解到这些粒子之间的相互作用。例如，一个费米子与玻色子相互作用时，可能会产生另一个费米子；而费米子与反费米子的相互作用则可能产生玻色子；反费米子与玻色子的相互作用则可能产生另一个反费米子。
只要遵守守恒的量子数原则，并遵循标准模型规定的相互作用规则，任何没有被禁止的事件都有可能发生，且其发生的概率是有限的。
在我们深入探讨电子的所有属性之前，有一点需要特别注意：这些属性是我们目前对宇宙最深层次理解的结果。我们无法确定是否会有更为根本的理论取代标准模型，也无法预知是否存在额外的量子数或它们是否会守恒。对于如何将引力与标准模型结合，我们依然一无所知。
虽然这看似是理所但我们仍需明确指出：这些是我们现有科学对电子的最完整描述。未来，随着科学的发展，可能会发现新的理论，这些属性或许会被修正，或者只是电子本质的一种近似描述。
电子可以被描述为：费米子（不是反费米子）；电荷为-1（即基本电荷的单位）；无磁荷；无色荷；内禀角动量为½，意味着它可以取+½或-½；重子数为0；轻子数为+1；在电子家族中的轻子族数为+1，而在μ介子和τ介子家族中则为0；弱同位旋为-½；弱超电荷为-1。
这些量子数赋予了电子与电磁相互作用（通过光子）和弱相互作用（通过W和Z玻色子）耦合的能力；它还与希格斯玻色子相互作用，进而赋予电子一个非零的静止质量。电子并不与强相互作用力相互作用，因此无法与胶子发生作用。
当电子与正电子相遇时，它们的电荷相反，因此它们之间会相互吸引，这会主导大多数相互作用。电子和正电子能够形成一种不稳定的结，叫做电子偶素，这种结合方式类似于质子与电子之间的结合，只是电子和正电子的质量相等。
由于电子是物质而正电子是反物质，它们也可能发生湮灭现象。电子与正电子的湮灭取决于多种因素，包括它们的自旋。湮灭的产物通常是多个光子，最常见的是2个或3个。
当电子置于电场或磁场中时，它们会与光子相互作用，改变自身的动量，也就是会产生加速度。由于电子与希格斯玻色子相互作用，电子也具有静止质量，因此它在引力场中也会受到加速。但这些现象并不能在标准模型中得到完美解释，现有的量子理论也无法完全解释这一点。
在我们没有量子引力理论的前提下，电子的质量和能量只能通过广义相对论来描述。虽然广义相对论能够为我们设计的实验提供正确的答案，但它在某些情况下会失效。例如，如果你询问单个电子在穿越双缝实验时受到引力场的影响，广义相对论就
电子是宇宙中极其重要的粒子，当前的科学推测，整个可观测宇宙中大约有10的80次方个电子。它们是原子不可或缺的组成部分，而原子又是构成分子、物质甚至生命的基石。从磁铁到计算机，再到我们身边的一切物体，都离不开电子的存在。
正是由于量子规则的支配，电子具备了这些奇特的属性。标准模型是我们目前理解这些规则的最佳框架，它解释了电子如何与其他粒子相互作用，又限制了它们如何不能相互作用。
至于为何电子具备这些超越标准模型范围的特殊属性，我们目前只能说，人类的科学理解已经达到了某个极限，仍然无法回答“为什么它会是这样”的问题。我们能做的，只有继续探索，力求找到更深层次的答案。