物理學家如何知道基本粒子的大小?

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。那麼，物理學家是如何知道一個基本粒子有多小呢？

上圖是第一張單原子照片，由原子力顯微鏡（AFM）拍攝到的並五苯分子，達到單原子解析度。成像方式如下：一組特定波長的光被發射到目標物體上，其中一些光波直接穿過，而有一些則會被反射回去。通過測量未反射或者反射的光，可以構建出目標物體的陰像或陽像的畫面。

各種波長的光

這種方法依賴於光的一種特殊性質——它們能夠表現為波，所有的波都有一個波長。只要所要成像的物體大於所用光波的波長，就能拍下那個物體的圖像。

基於這樣的事實，我們需要選擇一個特定的成像波長，以獲得目標物體的高質量解析度圖像。我們不能使用波長很短的廣，因為這種光的能量很高，用它們來觀測物體會造成破壞。

正因為如此，我們想要穿透皮膚看到骨骼，就需要能夠更高波長更短的X射線。而如果要接收到波長很長的無線電波，就需要尺寸非常大的射電望遠鏡，例如，直徑可達500米的中國天眼。

那麼，物理學家也是用光子來研究基本粒子的尺寸呢？畢竟，只有光與物體相互作用之後，才能構建出物體的圖像。

關鍵的波長

事實上，物理學家並不在意是否是光子在構造目標物體的圖像。通過其他粒子也能構造圖像，因為任何粒子都有一個與能量相關的波長——德布羅意波，又稱物質波。無論選擇使用光波還是物質波都是無關緊要的，唯一重要的是波長。這就是物理學家如何探測物質，並確定一個物體的大小到任何所選擇的尺度。

當物理學家首次認識到這種現象時，他們既感到十分困惑，又感到十分驚奇。如果不斷把電子從擋板上的一個狹縫中發射出去，它會在另一邊接收屏上形成「電子堆」。但如果擋板上有兩個相鄰的狹縫，接收屏上不會有兩堆電子，而是一個幹涉圖樣，就好像電子真的像波一樣運動，這就是波粒二象性。

更令人瞠目結舌的是，如果向這兩條狹縫一次只發射一個電子，結果還會出現同樣的幹涉圖樣。電子不僅表現得像波一樣，而且每一個電子都好像可以與自己發生幹涉。如果進一步改變實驗，還會得到更加奇怪的惠勒延遲選擇實驗，這裡不再展開。

理論上，如果讓粒子（電子、質子或者光子等等）達到越高的能量，其波長越短，解析度越高，以此就能探測到尺寸越小的結構。倘若能準確地測量出非基本粒子什麼時候分裂，這樣就能確定能量閾值，從而測出它的大小。

基本粒子的尺寸

通過這種方法，物理學知道，原子可以分割成原子核和電子，它們的總大小約為10^-10米。原子核也能進一步分割成質子和中子，這些更小粒子的尺寸約為10^-15米。質子和中子又能分割為夸克和膠子，它們的尺寸小於10^-18米。

另一方面，如果用高能粒子轟擊夸克、膠子和電子，它們沒有表現出內部結構的證據，這意味著它們是基本粒子，沒有尺寸的點粒子。

根據物理學家目前的測量結果，每一個標準模型粒子都是無法再分割的基本粒子，它們的尺寸不超過10^-18米。根據粒子物理標準模型，已知的基本粒子包括如下種類：6種夸克和6種反夸克、3種帶電輕子和3種反輕子、3種中微子和反中微子、8種膠子、光子、W和Z玻色子、希格斯玻色子。再考慮基本粒子的自由度等性質，已知的基本粒子總共有61種，它們是構成萬物的基礎。

超越粒子物理標準模型

不過，粒子物理標準模型並沒有給出所有問題的最終答案。事實上，標準模型在某種程度上肯定會崩潰出錯，因為這套理論沒有考慮到引力、暗物質、暗能量以及宇宙正反物質不對稱的事實。

宇宙中一定還有更加本質的規律，也許我們所認為的基本粒子其實是可以分割的。如果我們能讓粒子獲得足夠高的能量，使其波長足夠短，我們就有望看到目前能量尺度和普朗克能量尺度之間的東西。標準模型不是終極理論，比目前已知基本粒子更小的尺度還有待探索。