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缤纷世界的构成者:目前我们所知最小的粒子

物理学家首次将电子与质子碰撞时,他们观察到电子从质子内部的三个小硬核上反弹。这些小硬核被称为夸克,人们发现,它是组成质子的比质子更小的粒子。夸克是我们在科学研究中遇到的最小粒子,它的发现意味着质子和中子不再是组成物质的基础。

为了更深入的了解,让我们来分析一种物体,并逐层地来发掘它的组成部分。

从宏观的角度来看,物质看起来是不会变化的,其性质很容易测量。即使是一个6岁的孩子也能推断出,支撑着他精心设计的沙堡的柱子是数十亿个微小沙粒的总和。下一个问题是……沙粒是什么组成的?

再继续分析,你就会发现原子的整齐组织。原子的概念最初是由希腊人提出的,他们认为物体可以无限地分成两半,直到剩下一个不可分割的单一物质“斑点”为止。这个难以想象的小单位无法进一步细分,因此被称为“原子”,源自希腊语A-tomos。A表示“否”,而tomos表示“可切割”或“可拆分”

令人惊讶的是,这一理论并不成功。几个世纪后,大多数关于基本成分的文献都丢失或被驳回了。等到原子真正被认为是一个基本物理物质,已经过了将近两千年的时间。

19世纪化学家约翰道尔顿(John Dalton)对气体进行了一系列巧妙的实验,最终证实了这一猜测。一个原子的平均直径约为50纳米,相当于一粒沙子的百万分之一。原子是当时人类所知的最小的东西。

直到1897年,J.J.汤姆森(Thomson)对物质进行了更深层次的探索,发现了更根本的东西——电子!这确实是一项革命性的发现,电子技术的先驱者对此深表感谢。一个电子的“平均”直径竟然是0.0000000000001厘米,或者说比一粒沙子小2000亿倍。

由于物体是电中性的,汤姆森提出电子的负电荷必须被一小块正电荷抵消,并且正电荷中嵌入了电子。这就是著名的“葡萄干布丁”模型。

然而这个想法却被否定了。1911年,卢瑟福用α射线击中一薄条金箔并发现原子大部分是空的,但它却包含一个集中的正中心电荷。他称该中心为原子核,并将带正电的粒子称为质子。经测量,质子的“平均”直径比电子小三倍,但就质量而言,它是电子的1837倍!

他还假设电子围绕着原子核旋转,类似于太阳系行星模型。然而,在这两个模型中,中心实体和依附于它的实体之间的距离尺度却显示出了天文差异。

但庆祝活动没有持续太久。很快,化学家们发现了同位素——化学上无法区分但原子质量不同的元素。一对同位素似乎含有相同数量的质子,但它们的总质量仍然存在差异。

卢瑟福通过提出一种新的基本粒子来解释这一点,该粒子比质子重一些,但在电学上是中性的。1932年,詹姆斯·查德威克(James Chadwick)发现了这种中子粒子——中子,他的猜测变成了现实。结果证明中子和质子具有相同的大小和质量,大约是电子质量的2000倍。

我们可以进一步剥析物质吗?我的意思是0.00000000000001厘米不够小吗?好吧……它确实不够小。

寻找比电子、质子和中子更基本的粒子的探索促使我们建造了精妙的粒子加速器。

加速器以巨大的速度粉碎原子颗粒,导致它们粉碎成更小的部分。这类似于为了研究电视的内部组成,把它从20层楼的楼顶上扔下来,仔细检查它破碎的部件。

不,我们不能。夸克是我们在科学研究中遇到的最小实体。实际上,夸克和电子,但是等等,为什么是电子?

好吧,和它的同龄人不同,电子仍然坚定地成为一个真正的基本粒子。它拒绝被进一步分解成更基本的部分。然而,如果电子和夸克是基本的,夸克存在于质子中,那么它的半径是质子半径的三倍?!

我们认为亚原子粒子的半径来自某些假设。例如,假设一个电子的质量能势是完全包含的,它的半径就会比一个质子的半径大。计算电子半径的更好方法是利用质子/电子质量比。利用这些比值,我们发现一个电子的半径比我们之前想象的要小10倍左右,是一厘米的十亿分之一或0.00000000000000001厘米。

这就是为什么我用“平均”这个词来描述这些粒子的物理性质。半径是一个维度结构,与实际半径无关。同样,我们也没有像夸克这样的运气。他们拒绝被孤立,即使被孤立,也不会持续太久。有些夸克的寿命只有十亿分之一秒!分离一对夸克需要大量的能量,以至于它最终被用来形成两个与原来的两个夸克结合的夸克!

当我们问这些问题时,我们想象的亚原子粒子的图像是完全错误的!“粒子”这个词经常让我们想起一个微小的钢铁或台球的图像,这在物理教科书中无处不在。然而,它们在如此微小的维度上的结构和行为与我们的日常经验完全不相似。在量子力学领域,形状的定义并不简单。它们的物理性质无法精确测量,它们在特定范围的存在只能由概率来定义。

尽管如此,科学家还是设法进行了一些精妙的研究,以最大程度地接近夸克的大小。我能找到的最新数字近似为十亿分之一厘米的十亿分之一,与电子处于同一个等级。

在这一点上,有必要认识到标准模型,即粒子物理学的最高明珠,并没有以其大小或质量来描述亚原子粒子,而是以其能量来描述。质子或中子并不具有固定的形状或体积——它的体积是由其限制地组成部分而被推测出来的。

夸克、电子或任何其他亚原子粒子只是集中的能量,它们没有特定的顺序,而基本粒子如夸克和电子,则被认为是点状的。它们没有维度,被认为是空间中的一个无量纲点。其实,把它们看作点只是一个有用的简化,因为没有证据证明这是错误的。

把这些考虑在内的模型(直到现在)已经成功地以惊人的准确性捕获了所有已知的信息。众所周知,它在是任何领域中最精确的理论。当然,这一假设,就像任何科学领域的假设一样,在新的假设出现时,都不怕被推翻。如果有证据的话,科学家们不会担心再次回到绘图板上。在这种情况下,科学家们可能会在其内部发现一个新粒子。

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