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探索物理学的极限,宇宙中最小的物质是什么?

探索物理学的极限,宇宙中最小的物质是什么?
2021年05月17日 20:45 新浪网 作者 魅力科学君

  我们所能看到的宇宙万物都是具有内部结构的,换句话来说就是,它们都是由更小的物质构成的,那么宇宙中最小的物质是什么呢?

  在过去的日子里,人们一直在致力于探索物理学的极限,试图找到这个问题的答案,刚开始的时候,人们认为原子就是宇宙中最小的物质了,但后来物理学家发现原子也是由更小的物质构成,即质子、中子和电子。

  再后来,粒子对撞机出现了,简单来讲,这种机器能够将微观粒子加速到很高的速度(可以接近光速),然后让它们互相碰撞,在发生碰撞之后,微观粒子就可能会被撞碎,然后我们就可以在这些“碎片”中找到更小的物质。

  凭借着这一强大的工具,物理学家们进行了大量的粒子对撞实验,并在实验中发现了各式各样的粒子,在对它们进行分类之后,就得到了一个“粒子物理标准模型”。

  这些粒子看上去让人有些眼花缭乱,但实际上我们可以将它们分成三大类,第一类粒子是“费米子”,其中包括了轻子和夸克,夸克在强相互作用力的作用下可以形成“重子”以及“介子”,而我们熟悉的质子和中子其实就属于“重子”。

  简单来讲,两个上夸克和一个下夸克就构成了质子,而一个上夸克和两个下夸克就构成了中子。我们知道,质子和中子就构成了原子核,原子核再加上电子(轻子中的一种)就形成了原子,由此可见,“费米子”其实就是构成物质的基本粒子。

  第二类是粒子是“规范玻色子”,它们的作用是传递相互作用,其中胶子传递强相互作用力,光子传递电磁力,而“Z玻色子”和“W玻色子”则传递弱相互作用力。

  看到这里,细心的人可能已经发现了,“规范玻色子”只传递了四种基本力中的三种,而引力却不在其中,那引力是通过什么粒子传递的呢?

  物理学家猜测,应该存在一种“引力子”,这种粒子也是一种“规范玻色子”,由它来传递引力。然而迄今为止,人们都没有发现任何“引力子”存在的证据,所以这里就空了一个位置。

  第三类粒子只有一种,那就是“希格斯玻色子”,这种粒子的作用就是给其它的粒子赋予质量,我们可以简单地理解为,“希格斯玻色子”在宇宙中无处不在,凡是能与其发生相互作用的粒子都会被赋予质量(例如夸克和电子),而不能与其发生相互作用的粒子则不具备质量(例如光子)。

  总的来讲,“粒子物理标准模型”中囊括了36种夸克,12种轻子以及12种“规范玻色子”,再加上“希格斯玻色子”,共计61种基本粒子。由于科技水平的限制,物理学家们目前并没有可用的实验方法来进行更深入的探索,而这也就意味着,它们就是目前已知的宇宙中最小的物质。

  从理论上来讲,这61种基本粒子应该可以再分为更小的结构,例如“弦理论”就提出,构成宇宙万物的基本单元应该是一种尺寸极为微小的“弦”,该理论认为,“弦”可以是开放的“开弦”,也可以是闭合的“闭弦”,它们不同的振动(或运动)就产生了各式各样的基本粒子。

  根据“弦理论”的描述,“弦”的尺寸可以小到普朗克长度,约为1.62 x 10^(-35)米,我们不妨将其与原子的尺寸来做一个比较。

  宇宙中最简单的原子就是氢原子,一个处于基态(最低能级)的氢原子的半径约为0.528 x 10^(-10)米,也就是说,如果我们把一个半径为普朗克长度的物体放大到氢原子那么大,其半径就会放大5.28 x 10^24倍,这是什么概念呢?

  已知乒乓球的标准半径为20毫米,如果按照同样比例的放大的话,那么一个乒乓球的半径会被放大到大约1116.2万光年,其半径将会比我们银河系所处的“本星系群”的直径还要大。

  

(图为“本星系群”,它由银河系、仙女座星系等50个星系组成,直径约为1000万光年)

  由此我们可以清楚地看到“弦”到底有多小,那么还有没有比“弦”更小的物质呢?很抱歉,普朗克长度是物理学意义上最小的距离单位,这已经达到了物理学的极限。因此可以说,如果“弦理论”成立的话,宇宙中最小的物质就是“弦”,而从物理学的角度来讲,再去讨论比“弦”更小的物质是没有意义的。

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