基本粒子有多小?

2021-02-08 原理


電磁波譜各個部分的大小、波長和溫度/能量。（© NASA & Wikimedia Commons）


當你取任何數量的物質時，不管它多大或多小，構成它的只有兩個選項：要麼它可以被分割成更小的物質，要麼它是真正基本且不可分割的。在19世紀的大部分時間裡我們都認為原子是基本的，最小的實體，原子的希臘語是「ἄτομος」，譯為「不可切分的」。但我們現在知道的更多：原子是由原子核和電子組成的，而原子核則是由質子和中子構成的，它們又可以繼續被分割成更基本的夸克和膠子。但是，我們可以繼續分割下去嗎？我們要如何得知這些粒子的「大小」？


「大小」其實是一個很難的概念，但是量子力學可以幫助我們理解。



一個並五苯分子，由IBM的原子力顯微鏡拍攝。（© Alison Doerr）


上面的這張圖片顯示的是一個相對簡單的分子中的原子，拍攝該圖的技術與傳統拍攝技術並無很大的區別。光是由光子組成的，具有波的性質，因此當光子與其他物體相互作用的時候，光子會攜帶一定的信息。光具有波的性質使我們能夠利用光來拍攝特定大小的物體。之所以說特定大小時因為利用波來探知物理世界的問題是，你所得到的影像品質受限於所使用的波長。舉個簡單的例子，假設在遊泳池中的水波波長為1米，此時你把一根很細的木棍豎直插入遊泳池，池裡的水波會不受幹擾的通過木棍，因為一米波長的水波不會被如此小的物體所影響。因此，如果你想知道木棍的信息，你就需要用跟木棍大小一般的波長或更短的波長。這也是：

為什麼你需要一個相對較大的天線來接受無線電波，因為無線電波的波長較大需要大量的天線來探測它們。

為什麼微波爐門的「洞」能夠把微波困住在微波爐內，因為微波的波長比洞的大小大。

為什麼在太空中的塵埃顆粒可以很好的擋住短波長（藍色）的光，但對長波長（紅色）就無法進行有效的阻擋，以及為什麼對於更長的輻射（紅外）而言塵埃完全就是透明的。



巴納德68，塵埃豐富的博克球狀體。左邊為可見光成像，右邊為紅外成像。紅外線完全沒有被塵埃阻擋，因為塵埃顆粒太小了不與長波長的光作用。（© ESO）


簡而言之，一個光子最多只能用來探測到與其波長相當或者較大的尺度。如果你想「看見」越來越小的尺度，你就需要用波長越來越短的光子。由於光子的能量和波長是呈反比的，這就意味著需要越來越高的能量來探測越來越小的尺度。


光子不同的波長對應不能的能量。我們的眼睛看到的稱為「可見光」，其波長在400-700納米左右。通常來說，這已經小到足以讓我們不去擔心波長解析度的問題，因為我們不看寬這個區間的物體。（© Philip Ronan）


但光子並不是唯一的選擇；其它任何高能粒子都可以用來探索物質的大小，是不是立馬就想到了粒子加速器？量子力學的一個有趣規則是並不是只有光子表現的像波，所有的粒子都具有波的性質，包括複合粒子，比如質子，以及任何就目前所知不可分割的粒子（比如電子），這便是所謂的「波粒二象性」。所以，我們只要把一個探測粒子放進加速器，並加速粒子使其接近光速，以獲得更多的動量/能量。當粒子的能量足夠大時波長也相應的足夠小，此時將粒子撞擊一個靜止的靶心，並記錄下發生了什麼。從中我們就可以獲取許多信息。



電子雙縫實驗的幹涉圖案。電子具有波的性質，因此可以用來繪製圖形或探索粒子的大小。（© Thierry Dugnolle）


通過這個技巧就可以得知：

原子並不是不可分割的，它們是由電子和原子核組成的，大小為1 Å ，或10⁻¹⁰米。

原子核則可以繼續被分割成質子和中子，它們各自的大小為~1fm，或者10⁻¹⁵米。

如果用高能粒子轟擊質子和中子內的粒子，即夸克和膠子，它們並不會顯示出任何內在結構，就像電子一樣。


對於每一個標準模型的粒子，我們都已經確定它們是否有著複合的本性，或者是與點狀不同的物理「大小」，它必須是小於10⁻¹⁹米左右。


深度非彈性散射在測量原子、原子核以及單獨的質子和中子的大小上非常成功。用該方法發現了我們認為真正基本的粒子：夸克（標準模型中的粒子）。但它們是真正基本的嗎？它們真的是點狀的嗎？或者它們有確定的大小嗎？（© Fermilab）


曾經有一個時期科學家還不知道量子力學，但他們知道愛因斯坦的著名方程：E=mc²。如果你測量了一個電子的電荷，並知道了電子質量，你就可以推導出電子的大小，即經典電子半徑。這個半徑非常小，等於：



但我們知道這是錯的！這個結果其實比質子的大小還大，並且要比現在對它的最佳限制的大小要大出1000倍。換句話說，粒子都擁有量子本性，如果你能夠達到隨意高的能量，真正基本的粒子應該都是點狀的。



標準模型中的粒子和反粒子。（© E.Siegel）


所以，當我們提到基本粒子的大小時，我們談論的是對真正基本的追尋。標準模型中的粒子真的是不可在分割的嗎？如果是，我們應該能繼續往越來越高的能量探索，直到普朗克能量（在10⁻³⁵米的尺度），並且不會發現其它任何不同於點狀的行為。在這個過程中，我們或許會發現一些（或全部）粒子可以繼續被分割，或者它們真的是由弦或膜組成的。但就目前我們所知道的，粒子的真實大小都是非基本的。所有的東西都只是一個上限，對越來越小尺度的探索仍然在繼續。


▽ 點擊文字查看更多文章 ▽

天文悖論 | 蟲洞=糾纏？ | 宇宙的成分 | 質子半徑之謎 | 隱藏的新物理 | 標準模型 | 統一之路 | 磁單極子 | 從原子到萬物 | 宇宙中的未解之謎 | 反物質 |宇宙的陰暗面 | 宇宙大爆炸 | 核聚變 | 無盡的宇宙


▼ 長按以下圖片 → 識別二維碼 → 關注原理 ▼


相關焦點

  • 什麼是粒子?這個最基本的問題,仍未有標準答案
    除光子（光的量子）外，狄拉克等人發現，該思想可以外推到電子和其他所有粒子：根據量子場論，粒子是全空間量子場的激發。在假設這些更基本的場的存在時，量子場論剝離了粒子的狀態，僅僅把它們描述為擾動場的小份能量。
  • 基本粒子和相互作用的標準模型簡介
    1964年，蓋爾曼[7]和茨威格[8]提出，質子和中子以及其他所有強子，都是由3個叫做夸克的基本粒子組成的。基本粒子場與其他粒子場的區別在於基本粒子的尺寸小。隨著基本粒子變得越來越小，我們需要一個越來越大的「顯微鏡」來「看到」它們。區別在於這些大型的「顯微鏡」被稱為加器速，它們佔據著數公裡甚至幾十公裡長的土地。科學研究中，當需要更高的解析度時，光學顯微鏡就會被替換為電子顯微鏡。
  • 基本粒子和相互作用的標準模型|眾妙之門
    1964年，蓋爾曼[7]和茨威格[8]提出，質子和中子以及其他所有強子，都是由3個叫做夸克的基本粒子組成的。基本粒子場與其他粒子場的區別在於基本粒子的尺寸小。隨著基本粒子變得越來越小，我們需要一個越來越大的「顯微鏡」來「看到」它們。
  • 統一路 13-基本粒子知多少
    基本粒子知多少1869 年，俄國化學家門捷列夫將化學元素分類排隊組成了元素周期表。正是元素分類的這種重複模式，啟發了科學家的思維，感覺其中隱藏著物質結構更為深層更為基本的秘密。最後，發現並證實了所有的原子都是由質子、中子、電子組成的結論。
  • 隱匿的宇宙:用基本粒子揭開宇宙之謎
    為什麼渺小的基本粒子會與浩瀚的宇宙存在聯繫呢？確實，在直觀感覺上，「宇宙」與「基本粒子」似乎完全不相關，畢竟兩者大小迥異，如有天壤之別。宇宙是世界之極大，而基本粒子是世界之極小。「宇宙研究所」的研究者為什麼會提到基本粒子呢？大家產生這樣的疑問也是理所當然的。首先，讓我們以身邊的物體作為參照物，來思索一下宇宙到底有多大。
  • 「基本粒子」遠不止62種,具有豐富的無限多樣性
    在現代物理學的視野中，基本粒子是指人們認知的構成物質的最小或最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎，即在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質。在量子場論的理論框架下，這些基本粒子甚至作為點粒子來處理。就此而言，基本粒子與統一資訊理論所提出的極限粒子有相近的內涵。
  • 一個奇特的猜想:黑洞可能本來就是一種巨大的基本粒子?
    現代粒子物理學已經讓我們對物質的構成有了基本的認識。在19世紀，科學家發現許多熟悉的物質如氧和碳都由一種可以識別的最小組成單元構成，他們稱之為「原子」，意為「不可分割的」。但到了20世紀30年代，由湯姆遜、盧瑟福、玻爾和查德威克等物理學家的工作，證明了原子遠不是構成物質的最基本成分，原子有一個包含著質子和中子的核，核外還圍繞著一群旋轉的電子。到了1968年，粒子加速器的實驗進一步證明了質子和中子又是由3個更小的粒子構成，這些粒子被稱作「夸克」。
  • 粒子對撞機歷史回顧與展望 | 「小粒子 大宇宙」科學公開課
    歡迎來到「小粒子 大宇宙」系列課程。這裡是中國科學院高能物理研究所。我是高傑。今天我們講的這一堂課，題目是《粒子對撞機歷史回顧與展望》。大家知道宇宙的構成有三大部分，它是由物質、暗物質和暗能量構成。其中物質大約佔百分之五，暗物質佔百分之二十幾，還有接近百分之七十是暗能量。那麼物質的構成，大家都知道，分子，比如像水分子，它是由氫和氧構成的。
  • 細說基本粒子和自然力量,看看科學家如何解釋萬物
    亞里斯多德相信宇宙中的所有物質由4種基本元素即土、氣、火和水組成，有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢。浮力，這是指氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。亞里斯多德相信物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊。即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。
  • 掌握宇宙生死的粒子,被稱為「上帝粒子」,比原子小卻能毀掉一切
    引言：在現實的宏觀世界中，所有的物質都由微觀世界的粒子組成。而在很多人看來，微觀世界裡最微小的粒子應該就是原子了。其實不然，還有一種粒子比原子還小。經過科學家們的研究發現，它是一種能夠主宰宇宙命運的粒子，因此被稱為「上帝粒子」。
  • 基本粒子以近光速旅行的三種方式!真的大開眼界!
    光速，或許大部分人聽到這兩個字，閃出的畫面是在浩瀚無際的宇宙中一條光粒子劃出一條完美的光弧線，而光速旅行是太空科幻小說的主要內容。光速看似遙不可及，其實它離我們並不遙遠。在自然界的基本粒子，不乏以近光速運動的粒子，它們其實無處不在。
  • 構成我們宇宙的基本粒子是什麼?看完你肯定會明白
    這就構成了如今粒子物理的面貌。基本粒子究竟是什麼？它們有著怎麼樣的分類與構成？基本粒子是什麼基本粒子是指人們認知的構成物質的最小或/及最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎。也就是說在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質。它是組成各種各樣物體的基礎，且並不會因為小而斷定它不是某種物質。
  • 26個字母組成了英語,61種基本粒子則構成了萬物
    由於色禁閉現象導致科學家們在很長時間內沒有新的發現，於是便誤以為質子、中子就是最基本的粒子了。夸克模型的提出及驗證，打破了長久的幻想，人們開始思索「物質也許是無限可分的」。下面將要介紹的基本粒子就是目前科學家們所發現的構成物質結構的最基本的粒子。
  • 我們所知的最小的粒子是什麼?
    這些核後來被稱為夸克，是組成質子的更小的粒子。夸克是我們在科學研究中遇到的最小粒子。夸克的發現意味著質子和中子不再是最基本的組成粒子。為了更深入地理解，我們來剖析物質，逐層探究其組成。總體看來，物質很堅固且它的性質很容易被測量。
  • 11個物理難題,11種基本粒子
    小紅花等級：4.5朵！電子和μ輕子之類的基本粒子統稱為輕子，它們並不參與強相互作用力。大統一理論的目標是跨越這些界限，使自然界四種基本相互作用中的三種融合為一種。在一些理論，當電子撞擊一個質子時，例如在DESY的HERA加速器中，輕子夸克就會產生，並衰變為一個μ輕子和夸克。「HERA似乎是一個產生輕子夸克的好地方」，倫敦大學國王學院的理論物理學家John Ellis說。
  • 為什麼說超弦理論比標準模型更能解釋大自然的所有物質基本粒子?
    總的來說，標準模型是描述粒子物理學中強力、弱力和電磁力以及所有物質的基本粒子。比如熟悉的夸克、膠子和光子等，這些都是基本粒子的種類。但如果屏幕前的你夠細心，你會發現標準模型只提到了三種基本力，而同是大自然基本力之一的引力卻沒有被描述進來，這是怎麼一回事呢？可能有些人並不知道四大基本力都是什麼，簡單概括一下。
  • 盤點這個宇宙中最小的粒子排名
    與質子這類的粒子比較，普朗克粒子是極小極重的粒子,比現在未知的夸克，希格斯粒子，中微子，引力子等等還要小很多。許多物理學家認為普朗克粒子會因為霍金輻射而消失不見。依照理論估計，普朗克粒子的壽命只有 10E－43秒，或 普朗克時間。這麼極短的一霎那時間，目前尚無法成功地測量。在另一方面，霍金輻射這理論仍舊存在著許多爭議，仍舊等待更多的研究與論證。
  • 放大多少倍可以看到原子核,電子顯微鏡能看到多小的粒子?
    原子直徑的理論數量級約10^-10m，也就是100億分之一米，放大100億倍，原子看起來就有1米直徑。不要以為放這麼大就可以看清原子內部了，還早著呢。所謂原子內部就是原子核，原子核由中子和質子組成。原子核直徑的數量級為10^-15m，也就是說比原子直徑還要小10萬倍。那麼這個原子直徑有1米了，再小10萬倍有多小呢？只有0.01mm，也就是百分之一毫米，10個微米。
  • 實驗證實任意子存在,或為費米子玻色子外另一基本粒子
    在我們生活的三維世界中，有兩類基本粒子：玻色子和費米子。但理論物理學家預測，在二維空間，還有另一種可能：任意子。現在，科學家們有了新的證據，證明任意子存在，並且它們的行為與任何已知的粒子都不一樣。物理學家在4月10日的《Science》雜誌上報導說，研究人員使用一個小型的「對撞機」，讓兩個疑似的任意子相互碰撞，來研究確認其粒子身份。所有已知的基本粒子都可以分為費米子和玻色子。例如，電子是費米子。玻色子包括光子（光的粒子）和著名的希格斯玻色子（解釋粒子如何獲得質量）。
  • 物理學中的基本常數有多基本?
    如果是這樣，科學家將需要重新評估現有的宇宙模型，或者至少給這些所謂的基本常數起一個不同的名字。物理學中的常數有多基本？美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家Peter Mohr表示，基本常數本質上只是理論中出現的參數。基本常數對理論具有根本的重要性，但它們的數值無法被理論所預測，必須通過實驗來測量。