我們所知道的最小的粒子是什麼——原子?電子?還是夸克?

物理學家首次將電子與質子碰撞時，他們觀察到電子從質子內部的三個小硬核上反彈。這些小硬核被稱為夸克，人們發現，它是組成質子的比質子更小的粒子。夸克是我們在科學研究中遇到的最小粒子，它的發現意味著質子和中子不再是組成物質的基礎。

為了更深入的了解，讓我們來分析一種物體，並逐層地來發掘它的組成部分。

從宏觀的角度來看，物質看起來是不會變化的，其性質很容易測量。即使是一個6歲的孩子也能推斷出，支撐著他精心設計的沙堡的柱子是數十億個微小沙粒的總和。下一個問題是……沙粒是什麼組成的？

沙堡

（圖片來源：搜狐網）

原子

再繼續分析，你就會發現原子的整齊組織。原子的概念最初是由希臘人提出的，他們認為物體可以無限地分成兩半，直到剩下一個不可分割的單一物質「斑點」為止。這個難以想像的小單位無法進一步細分，因此被稱為「原子」，源自希臘語A-tomos。A表示「否」，而tomos表示「可切割」或「可拆分」

令人驚訝的是，這一理論並不成功。幾個世紀後，大多數關於基本成分的文獻都丟失或被駁回了。等到原子真正被認為是一個基本物理物質，已經過了將近兩千年的時間。

19世紀化學家約翰道爾頓（John Dalton）對氣體進行了一系列巧妙的實驗，最終證實了這一猜測。一個原子的平均直徑約為50納米，相當於一粒沙子的百萬分之一。原子是當時人類所知的最小的東西。

亞原子粒子

直到1897年，J.J.湯姆森（Thomson）對物質進行了更深層次的探索，發現了更根本的東西——電子！這確實是一項革命性的發現，電子技術的先驅者對此深表感謝。一個電子的「平均」直徑竟然是0.0000000000001釐米，或者說比一粒沙子小2000億倍。

物理學家 J.J.湯姆森（Thomson）

（圖片來源：百度）

由於物體是電中性的，湯姆森提出電子的負電荷必須被一小塊正電荷抵消，並且正電荷中嵌入了電子。這就是著名的「葡萄乾布丁」模型。

葡萄乾布丁模型

（圖片來源：百度百科）

然而這個想法卻被否定了。1911年，盧瑟福用α射線擊中一薄條金箔並發現原子大部分是空的，但它卻包含一個集中的正中心電荷。他稱該中心為原子核，並將帶正電的粒子稱為質子。經測量，質子的「平均」直徑比電子小三倍，但就質量而言，它是電子的1837倍！

他還假設電子圍繞著原子核旋轉，類似於太陽系行星模型。然而，在這兩個模型中，中心實體和依附於它的實體之間的距離尺度卻顯示出了天文差異。

但慶祝活動沒有持續太久。很快，化學家們發現了同位素——化學上無法區分但原子質量不同的元素。一對同位素似乎含有相同數量的質子，但它們的總質量仍然存在差異。

盧瑟福通過提出一種新的基本粒子來解釋這一點，該粒子比質子重一些，但在電學上是中性的。1932年，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）發現了這種中子粒子——中子，他的猜測變成了現實。結果證明中子和質子具有相同的大小和質量，大約是電子質量的2000倍。

我們可以進一步剝析物質嗎？我的意思是0.00000000000001釐米不夠小嗎？好吧……它確實不夠小。

夸克

尋找比電子、質子和中子更基本的粒子的探索促使我們建造了精妙的粒子加速器。

世界最大粒子加速器內的粒子碰撞

（圖片來源：Seeker/Youtube）

加速器以巨大的速度粉碎原子顆粒，導致它們粉碎成更小的部分。這類似於為了研究電視的內部組成，把它從20層樓的樓頂上扔下來，仔細檢查它破碎的部件。

但我們能再深入一點嗎？

不，我們不能。夸克是我們在科學研究中遇到的最小實體。實際上，夸克和電子，但是等等，為什麼是電子？

好吧，和它的同齡人不同，電子仍然堅定地成為一個真正的基本粒子。它拒絕被進一步分解成更基本的部分。然而，如果電子和夸克是基本的，夸克存在於質子中，那麼它的半徑是質子半徑的三倍？！

我們認為亞原子粒子的半徑來自某些假設。例如，假設一個電子的質量能勢是完全包含的，它的半徑就會比一個質子的半徑大。計算電子半徑的更好方法是利用質子/電子質量比。利用這些比值，我們發現一個電子的半徑比我們之前想像的要小10倍左右，是一釐米的十億分之一或0.00000000000000001釐米。

這就是為什麼我用「平均」這個詞來描述這些粒子的物理性質。半徑是一個維度結構，與實際半徑無關。同樣，我們也沒有像夸克這樣的運氣。他們拒絕被孤立，即使被孤立，也不會持續太久。有些夸克的壽命只有十億分之一秒！分離一對夸克需要大量的能量，以至於它最終被用來形成兩個與原來的兩個夸克結合的夸克！

（圖片來源：百度百科）

不要為這裡所需要的能量而震驚。這樣思考吧……你實際上是在撕裂組成現實的結構。

為什麼我們對「尺寸」的概念是錯誤的？

當我們問這些問題時，我們想像的亞原子粒子的圖像是完全錯誤的！「粒子」這個詞經常讓我們想起一個微小的鋼鐵或撞球的圖像，這在物理教科書中無處不在。然而，它們在如此微小的維度上的結構和行為與我們的日常經驗完全不相似。在量子力學領域，形狀的定義並不簡單。它們的物理性質無法精確測量，它們在特定範圍的存在只能由概率來定義。

儘管如此，科學家還是設法進行了一些精妙的研究，以最大程度地接近夸克的大小。我能找到的最新數字近似為十億分之一釐米的十億分之一，與電子處於同一個等級。

在這一點上，有必要認識到標準模型，即粒子物理學的最高明珠，並沒有以其大小或質量來描述亞原子粒子，而是以其能量來描述。質子或中子並不具有固定的形狀或體積——它的體積是由其限制地組成部分而被推測出來的。

夸克、電子或任何其他亞原子粒子只是集中的能量，它們沒有特定的順序，而基本粒子如夸克和電子，則被認為是點狀的。它們沒有維度，被認為是空間中的一個無量綱點。其實，把它們看作點只是一個有用的簡化，因為沒有證據證明這是錯誤的。

把這些考慮在內的模型（直到現在）已經成功地以驚人的準確性捕獲了所有已知的信息。眾所周知，它在是任何領域中最精確的理論。當然，這一假設，就像任何科學領域的假設一樣，在新的假設出現時，都不怕被推翻。如果有證據的話，科學家們不會擔心再次回到繪圖板上。在這種情況下，科學家們可能會在其內部發現一個新粒子。

作者: sciabc

FY: 柯崽

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