基本粒子有多小?
2021-02-25 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。
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什麼是基本粒子?
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基本粒子真的是物質世界最「基本」的微粒嗎?
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人類還能發現更小的基本粒子嗎?有何方法研究物質更微觀的結構?
有人說夸克是已知人類發現的最小基本粒子。其實夸克分四種，這四種構成了質子和電子等其它粒子。那麼還有沒有比夸克更小的粒子呢？其實夸克也是有質量和能量的，質量來自於希格斯粒子，能量來自於能量子。所以，夸克也是由希格斯粒子和能量子組成的，所以，希格斯粒子和能量子比夸克還小，但是它們還算不算是基本粒子呢？基本粒子是一種術語，一般指人們認知的構成物質的最小或最基本的單位。即是在不改變物質屬性的前提下擁有不可分割的物質最小單位。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。 -
基本粒子的神秘「味道」
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物理學家如何知道基本粒子的大小?
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基本粒子還能繼續分割嗎?
物質的基本組成是原子，而原子又能分為原子核和電子，原子核還能繼續分為質子和中子（除了氕核之外），質子和中子又能進一步分為夸克和膠子。一直以來，物理學家不斷把粒子分成更小粒子，直至最小的尺寸，以尋找組成物質的基本粒子。 -
粒子物理學基礎——淺析12種基本粒子
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解釋：基本粒子是什麼？
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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。 -
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如果最終證明希格斯粒子只是一種幻想，科學家將不得不回到原點重寫粒子物理學課本。 「某種程度上，它的重要性堪比創造了一切的上帝。」陳國明解釋說，「在宇宙大爆炸之初，希格斯粒子賦予基本粒子質量，使得物質得以形成、凝聚、演化，最終形成了星系，也形成了我們。」 -
科學家是如何測量「基本粒子」的大小的?
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前幾日天縱君（SKYLABS）正好看到了張首晟教授的一個講座錄像，張教授從一個微觀粒子的屬性推出和解釋了很多宏觀世界中的特別現象，這種觀察世界的方式，其實就是「基本粒子」的思路。我們知道世界是由物質和元素構成的，而基本粒子是指人們所認知的構成物質的最小最基本的單位，即在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質。