原子之下是什麼:亞原子粒子究竟長什麼樣?

2020-12-04 天文在線

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實際上,我們現在並不知道。

當人們在問一個東西是什麼樣的時候,通常是試圖描述它與周圍環境的聯繫。由於我們目前還不能從量子尺度上理解量子世界的空間(或時間),所以我們無法問出「一個處於量子世界的基本粒子是什麼樣子」這樣的問題,更別提回答了。但我們仍然可以通過一些間接的手段把答案本身框定在一個可以理解的範圍裡。

電子是我們目前所知的最簡單的粒子。實驗表明電子只是電磁場的一個結,沒有固體表面和內部結構。隨著越來越多的高能粒子撞擊到電子上而後被彈開,這個區域的電場強度就會越來越高。可以肯定的是,電子不能是一個帶有電荷的小球,不然整個系統會因巨大的靜電斥力而爆炸。

並且,遵循狹義相對論的電子不會是延伸的形狀,因為在電磁場空間中穿梭時,它們的形狀會發生變化。在兩個觀察者觀察同一個基本粒子時,很難確認究竟誰觀測到了正確形狀。任何物理上的延伸都會違背量子電氣力學理論,對於電子而言,基於這個理論的實驗測試到了小數點後十位以上,實驗數據仍然與量子力學上的表現一致。該理論進一步確認了電子是純粹的點狀粒子,絕對沒有內部結構。如果增加了內部結構,這個理論就違背了狹義相對論。

最近,特定實驗表明,量子電氣力學理論的預測與實驗上可能有那麼一點偏差,但大約在10^-20釐米,並且能量大於100GeV,仍需要進一步的實驗驗證。

並且,Fermi實驗室最近的一些結果似乎表明,夸克可能有一些內部結構,這就使得這種例子不那麼「基本」了。然而,鑑於統計結果的顯著性,這些實驗遠不具備決定性,也還存在著相當大的爭議。

理論上,幾十年來人們普遍期待著在10^-33釐米範圍內,時空結構將不再是現在量子力學中一直以來認為的那種光滑的「表面」,而是某種特別奇怪的東西,如文章頂部圖片顯示的那樣;也許是一種難以想像的迷你蟲洞泡泡,或是在具有十幾個維度的奇特空間中搖擺不定的量子環,量子弦。在這些尺度上,所有的粒子將不再具有點線特徵,正如超弦理論家說的那樣,所有的量子場都縮減到了一些更複雜的拓撲結構。

理論上,我並不知道如何去表述數學理論,但是,如果數學理論會產出一些可以測試和可供驗證的預測,如何看待數學將成為一個亟待討論的問題。比如我們的常識中不包括量子不確定性,二元性和狹義相對論,但事實可能就是如此。

亞原子粒子

在物理科學中,亞原子粒子是比原子小得多的粒子,有兩種類型:不由其他粒子組成的基本粒子,與複合粒子。粒子物理學和核物理學研究這些粒子本身和粒子間的相互作用。實驗表明光可以既可以表現得像粒子流(稱為光子),又可以表現出波狀特性,這引起了人們對於粒子學說的反思。所以後來有了波粒二象性這個新概念,用以反映量子尺度「粒子」的行為既像粒子又像波(有時候直接稱為波粒)。另一個新概念,即不確定性原則,指出同時考慮粒子某些特性是無法進行準確觀測,比動量和位置不可同時被確定。近年來,波粒二象性不僅適用於光子,也適用於日漸龐大的粒子。

圖片:氦原子(示意圖) 兩個質子(紅色),兩個中子(綠色)和兩個電子(黃色)。

量子場論中,對應的基本相互作用量子的產生和湮滅,即粒子的相互作用,將粒子物理學與場理論結合了起來。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. astronomycafe

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