物理學家第一次使用質子撞擊電子時，觀察到電子被質子內部的三個小硬核反彈回的現象。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。然而，即使是一個6歲的孩子也能推斷出他精心搭建的沙堡是由數十億粒微小的沙粒組成的...那麼接下來的問題是：沙粒是由什麼構成的?
原子
剝去一層，你會發現一個整齊有序的原子結構。原子的概念最初是由希臘人提出的，他們認為物體可以被無限地一分為二，直到剩下一個獨立的、不可分割的物質點。這個微小到難以想像的單位不能再分割了，因此被稱為「原子」，源於希臘語的A-tomos。A代表「不」，tomos代表「可切分的」或「可拆分的」。
圖源：scienceabc
令人驚訝的是，這一理論並不成功。大多數關於基本成分的文獻都丟失了，它們在幾個世紀後被找回。大約兩千年後原子才被確認為一個真實存在的基本物理對象。
化學家約翰·道爾頓在19世紀時對氣體進行了一系列巧妙的實驗才使得這一推測最終得到了證實。原子的平均直徑約為50納米，即一粒沙子的百萬分之一。然後原子就成為了人類所知的最小的粒子。
亞原子粒子
到了1897年，J.J.湯姆森先生經過深入研究發現了更基本的東西——電子!這是一個革命性的發現，電子技術的先驅們對此感激不盡。一個電子的「平均」直徑是10^-13厘米，比一粒沙子小20000億倍。
由於原子呈電中性，湯姆森認為電子的負電荷一定被嵌入其中的一小塊正電荷所抵消了。這就是著名的「葡萄乾布丁」模型。
然而這個想法被有力地駁回了。1911年，盧瑟福用α射線轟擊一片薄薄的金箔，發現原子的大部分是空的，但原子中央有一個正電荷。他把中央部分稱為原子核，並把帶正電荷的粒子命名為質子。據測量，質子的「平均」直徑比電子的「平均」直徑小三倍，但它的質量比電子大1837倍!
盧瑟福還假設電子圍繞原子核旋轉，類似於太陽系的行星模型。但是在這兩個模型中，中央實體與依附其存在的實體之間的距離存在著天壤之別。
圖源：scienceabc
好景不長。不久，化學家們發現了同位素——這些元素的化學性質難以區分，但它們的原子質量不同。一對同位素似乎含有相同數量的質子，但它們的總質量存在差異。
對此，盧瑟福認為存在一種新的基本粒子，比質子略重，但呈電中性。1932年，詹姆斯•查德威克發現了這種基本粒子——中子。中子和質子的大小相同，但質量大約是電子質量的2000倍。
至此，我們還能進一步分離物質嗎？難道10^-14厘米還不夠小嗎?事實上，這確實還不夠小。
夸克
為了尋找比電子、質子和中子更微小的粒子，我們製造了粒子加速器。
世界最大粒子加速器內的粒子碰撞
圖源：Seeker / Youtube
加速器以極高的速度粉碎亞原子粒子，使它們的成分暴露出來。這類似於研究一台電視機的內部結構，把它從20層樓高的樓頂扔下去，然後仔細檢查破碎的部件。
當物理學家們第一次開始將電子與質子碰撞時，他們觀察到電子被質子內部的三個小硬核反彈。科學家發現，這些硬核是組成質子的更小的粒子。這些基本粒子被稱為夸克，夸克的發現意味著質子和中子不再是基本粒子。我們已經寫了一篇更詳細、更引人入勝的文章，專門討論夸克的性質和行為。你可以在這裡找到。
但是我們還能夠進一步挖掘下去嗎？
原子的基本微粒
不能再小了。夸克是我們用沙粒進行科學探索時遇到的最小的實體。實際上應該是夸克和電子。可為什麼是電子呢？
圖源：scienceabc
與其他粒子不同的是，電子仍然被堅定地認為是一個真正的基本組成粒子。它沒有辦法被分解成更基本的成分。然而，如果電子和夸克是基礎粒子，夸克又存在於質子中，那麼電子的半徑怎麼會比質子的半徑大三倍呢?
亞原子粒子的半徑是我們基於某些假設來測量的。例如，當一個電子的質能勢被假定完全包含時，它的半徑就會比質子的半徑大。基於質子與電子的質量比，我們可以較準確地計算電子半徑。
利用這些比值，我們發現一個電子的半徑比我們之前認為的要小十倍左右，大約十億分之一的十億分之一厘米或者10^-17厘米。
圖源：scienceabc
這便是為什麼我一直用「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。
對於夸克，我們也沒有進展。他們不能被進一步分離。即便被分離了，也不會持續太久。分離持續的時間只有十億分之一秒!分離一對夸克所需的巨大能量使得它可以形成兩個夸克。
圖源：scienceabc
不要被這些能量嚇到。可以試著這樣想……你實際上是在試圖撕裂現實的本質。
為什麼我們對於「尺寸」的概念是錯誤的？
當我們問這些問題時，腦海中浮現的亞原子粒子的圖片其實是錯誤的。「粒子」這個詞經常讓人聯想到物理教材中無處不在的小鋼球或小撞球的圖片。然而，在如此微小的維度上，它們的結構和活動根本不像我們的日常經歷。
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，它們在特定區域的存在只能通過機率被定義。
圖源：scienceabc
儘管如此，科學家們還是設法進行了一些精明的研究以估算夸克的大小。我能找到的最新的近似值是10^-18厘米，和電子在同一個數量級。
在這一點上，我們必須認識到，標準模型，即粒子物理學中的寶石，並不是用亞原子粒子的大小或質量來描述它們，而是用它們的能量來描述。質子或中子沒有固定的形狀或體積——它的體積是由其組分所被限制在的空間大小決定的。
夸克、電子或任何其他亞原子粒子都只是聚集的能量。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沒有維度的點。把它們當作點只是一種有用的簡化，因為不存在相反的證據。
圖源：scienceabc
基於這些考慮建立的模型以驚人的準確性成功地獲取了迄今為止所有已知的信息。它被認為是任何領域中最精確的理論。當然，這一假設，就像科學上的任何假設一樣，並不害怕在新的假設出現時被推翻和拋棄。只要有證據，科學家們並不擔心會再次回到起點。在這種情況下，一個粒子的內部探索會不斷進行下去。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3. sciabc-達拉
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處