基本粒子还能继续分割吗?

基本粒子还能继续分割吗?
2019年10月31日 00:44 新浪网 作者 情感醉时

基本粒子还能继续分割吗?

物质的基本组成是原子,而原子又能分为原子核和电子,原子核还能继续分为质子和中子(除了氕核之外),质子和中子又能进一步分为夸克和胶子。一直以来,物理学家不断把粒子分成更小粒子,直至最小的尺寸,以寻找组成物质的基本粒子。那么,物理学家是如何知道一个基本粒子有多小呢?

基本粒子还能继续分割吗?

上图是第一张单原子照片,由原子力显微镜(AFM)拍摄到的并五苯分子,达到单原子分辨率。成像方式如下:一组特定波长的光被发射到目标物体上,其中一些光波直接穿过,而有一些则会被反射回去。通过测量未反射或者反射的光,可以构建出目标物体的阴像或阳像的画面。

各种波长的光

这种方法依赖于光的一种特殊性质——它们能够表现为波,所有的波都有一个波长。只要所要成像的物体大于所用光波的波长,就能拍下那个物体的图像。基于这样的事实,我们需要选择一个特定的成像波长,以获得目标物体的高质量分辨率图像。我们不能使用波长很短的广,因为这种光的能量很高,用它们来观测物体会造成破坏。

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正因为如此,我们想要穿透皮肤看到骨骼,就需要能够更高波长更短的X射线。而如果要接收到波长很长的无线电波,就需要尺寸非常大的射电望远镜,例如,直径可达500米的中国天眼。那么,物理学家也是用光子来研究基本粒子的尺寸呢?毕竟,只有光与物体相互作用之后,才能构建出物体的图像。

关键的波长

事实上,物理学家并不在意是否是光子在构造目标物体的图像。通过其他粒子也能构造图像,因为任何粒子都有一个与能量相关的波长——德布罗意波,又称物质波。无论选择使用光波还是物质波都是无关紧要的,唯一重要的是波长。这就是物理学家如何探测物质,并确定一个物体的大小到任何所选择的尺度。

基本粒子还能继续分割吗?

当物理学家首次认识到这种现象时,他们既感到十分困惑,又感到十分惊奇。如果不断把电子从挡板上的一个狭缝中发射出去,它会在另一边接收屏上形成“电子堆”。但如果挡板上有两个相邻的狭缝,接收屏上不会有两堆电子,而是一个干涉图样,就好像电子真的像波一样运动,这就是波粒二象性。更令人瞠目结舌的是,如果向这两条狭缝一次只发射一个电子,结果还会出现同样的干涉图样。电子不仅表现得像波一样,而且每一个电子都好像可以与自己发生干涉。如果进一步改变实验,还会得到更加奇怪的惠勒延迟选择实验,这里不再展开。

基本粒子还能继续分割吗?

理论上,如果让粒子(电子、质子或者光子等等)达到越高的能量,其波长越短,分辨率越高,以此就能探测到尺寸越小的结构。倘若能准确地测量出非基本粒子什么时候分裂,这样就能确定能量阈值,从而测出它的大小。

基本粒子的尺寸

通过这种方法,物理学知道,原子可以分割成原子核和电子,它们的总大小约为10^-10米。原子核也能进一步分割成质子和中子,这些更小粒子的尺寸约为10^-15米。质子和中子又能分割为夸克和胶子,它们的尺寸小于10^-18米。

基本粒子还能继续分割吗?

另一方面,如果用高能粒子轰击夸克、胶子和电子,它们没有表现出内部结构的证据,这意味着它们是基本粒子,没有尺寸的点粒子。根据物理学家目前的测量结果,每一个标准模型粒子都是无法再分割的基本粒子,它们的尺寸不超过10^-18米。根据粒子物理标准模型,已知的基本粒子包括如下种类:6种夸克和6种反夸克、3种带电轻子和3种反轻子、3种中微子和反中微子、8种胶子、光子、W和Z玻色子、希格斯玻色子。再考虑基本粒子的自由度等性质,已知的基本粒子总共有61种,它们是构成万物的基础。

超越粒子物理标准模型

基本粒子还能继续分割吗?

不过,粒子物理标准模型并没有给出所有问题的最终答案。事实上,标准模型在某种程度上肯定会崩溃出错,因为这套理论没有考虑到引力、暗物质、暗能量以及宇宙正反物质不对称的事实。宇宙中一定还有更加本质的规律,也许我们所认为的基本粒子其实是可以分割的。如果我们能让粒子获得足够高的能量,使其波长足够短,我们就有望看到目前能量尺度和普朗克能量尺度之间的东西。标准模型不是终极理论,比目前已知基本粒子更小的尺度还有待探索。

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