【博科园-科学科普】原子理论的一个重要思想是在最小的基本的层次上构成一切的物质就不能再分裂了。随着逐渐缩小会发现分子是由原子组成，而原子由质子、中子和电子组成，质子和中子可以进一步分裂成夸克和胶子。然而即使夸克、胶子、电子和更像是真正的点状，它们所构成的物质都有一个真实的、有限的尺寸，这是为什么呢？
质子的结构及连同其伴随的场，显示了即使它是由点像夸克和胶子组成的，它有一个有限的尺寸，它来自于内部量子力的相互作用。图片版权：Brookhaven National Laboratory
许多来源表明夸克是点粒子……因此人们会认为由它们组成的物体，在这个例子中，中子也会是点，有逻辑缺陷吗？或者它们会以这样的方式相互结合，从而导致产生的中子有角大小吗？
让我们进入“最小”的范围，看看到底发生了什么：
从宏观尺度到亚原子粒子，基本粒子的大小在决定复合结构的尺寸方面只起很小的作用。图片：Magdalena Kowalska / CERN / ISOLDE team
如果我们看一看物质，在宏观世界里物体的大小和分子的大小差不多：纳米(10 -^ 9米)大小。在更小的尺度上控制单个粒子的量子规则开始变得重要起来。单个的原子，带着电子绕着原子核旋转，大约是10 - ^10米。原子核本身由质子和中子组成，比被发现的原子小10万倍（10 - ^15米）。在每个质子或中子中夸克和胶子都存在。虽然分子、原子和原子核都有与之相关的大小，但它们的基本粒子夸克、胶子和电子——是真正的点状。
标准模型的夸克、反夸克和胶子都有颜色电荷，除了质量和电荷等其他性质。所有这些粒子是真正的点状。图片版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy
我们判断某事物是否为点的方式是简单地将我们能在最高可能的能量中与之碰撞并寻找证据，证明里面有一个复合结构。在量子世界里粒子不仅仅是物理大小，它们也有与之相关的波长由它们的能量决定。更高的能量意味着更小的波长，这意味着我们可以探测更小更复杂的结构。x射线的能量足以探测原子的结构，x射线衍射和结晶学的图像揭示了分子的样子以及单个键的外观。
蛋白质结构的电子密度图，由x射线结晶学技术确定。图片版权：Imperial College London
在更高的能量中可以得到更好的分辨率。粒子加速器不仅可以将原子核分离开来，而且深层非弹性散射揭示了质子和中子的内部结构：夸克和胶子。有可能在某一时刻会发现一些我们目前认为是基本的粒子实际上是由更小的实体构成的。然而由于LHC的能量，我们知道如果夸克、胶子或电子不是根本，它们的结构必须小于10 - ^18到10 - ^19米就我们所知是真正的要点。
早期宇宙的夸克-胶子等离子体。尽管我们经常用夸克、胶子和电子作为三维球体来表示粒子，但做的最好的测量表明它们与点粒子是不可区分的。图片版权：Brookhaven National Laboratory
那么这些东西是如何比分数更大的呢？这是(上)三件事的相互作用：
1、力
2、粒子的属性
3、能量
我们知道的夸克不仅有电荷，而且(像胶子一样)也有颜色的电荷。电荷可以是正的或负的，而电荷相斥，异性相吸时，由颜色电荷引起的力——强大的核力——总是吸引人就像弹簧一样，信不信由你。
质子的内部结构有夸克，胶子和夸克自旋。核力就像弹簧当拉伸到很远的距离时，它的力可以忽略不计。图片版权：Brookhaven National Laboratory
当两个颜色带电的物体靠近时，它们之间的作用力就会下降到零，就像一个没有拉伸的弹簧。当夸克合在一起时电力就会接管，这通常会导致相互排斥。但是当颜色带电的物体相距很远时，强力就会变得更强。就像伸展的弹簧它可以把夸克重新拉到一起。根据颜色电荷的大小和强力的强度，以及每夸克的电荷，这就是我们到达质子和中子的大小的方式:强和电磁力大致平衡的地方。
质子的三夸克是它的自旋，但胶子、海夸克和反夸克，以及轨道角动量也是如此。静电斥力和有吸引力的强核力串联起来是质子的大小。图片：APS/Alan Stonebraker
在稍微大一点的尺度上，强大的力将质子和中子聚集在原子核中，克服单个质子之间的静电斥力。这种核力是强核力的残余作用，它只在很短的距离内有效。因为单独的质子和中子本身是不带颜色的，所以交换是由虚拟不稳定的粒子所介导的，这些粒子被称为介子，这解释了为什么超过一定尺寸的原子核变得不稳定；对于介子来说在更大的距离内进行交换太困难了。只有在中子星的情况下引力结合能量的增加抑制了原子核重新排列成更稳定结构的倾向。
单个的质子和中子可能是无色的实体，但它们之间仍有残余的强大力量。图片版权：Wikimedia Commons user Manishearth
关键在于在原子本身的尺度上任何被束缚于原子核的电子的最低能量配置并不是一个零能态，而是相对于电子的静止质量而言，它实际上是一个相对高能量的状态。这个量子态意味着电子本身需要以极高的速度在原子内部进行压缩；尽管原子核和电子是相反的电荷，但电子不会简单地撞击原子核并留在中心。相反电子存在于类似云的结构中，围绕着原子核(并通过它)绕着原子核旋转(并通过它)这一距离几乎是原子核本身大小的一百万倍。
能级和电子波函数对应于氢原子内的不同状态，尽管所有原子的构型非常相似。能量水平是普朗克常数的倍数，但是轨道和原子的大小是由基态能量和电子质量决定的。图片：PoorLeno of Wikimedia Commons
有一些有趣的警告可以让我们探索这些尺度在极端条件下的变化。在极其巨大的行星中由于强大的引力，原子本身开始被压缩，这意味着你可以将更多的原子压缩到一个小空间中。例如木星的质量是土星的三倍，但体积只有土星的20%。如果你用一个介子取代氢原子中的一个电子，一个不稳定的电子类粒子，它的电荷相同，但质量是2060倍，那么这个原子的氢原子就只有普通氢原子的1 / 206。一个铀原子实际上比单独的质子和中子大得多如果你把它们放在一起，因为质子的静电斥力的长程性质与强强的短程性质相比。
太阳系的行星显示出它们物理尺寸的大小，显示出一颗几乎和木星一样大的土星。然而木星的质量是3倍，这表明由于重力的压力它的原子被大量压缩了。图片版权：NASA
通过不同的力量发挥不同的力量可以建立一个质子，中子或者其他的有限大小的强子，从点像夸克通过结合质子和中子可以建立比它们的单个组件更大的原子核结合在一起，通过将电子结合到原子核上可以建立一个更大的结构，所有这些都是因为一个电子与一个原子所束缚的0点能量远大于零。为了得到一个充满了有限空间和非零空间的结构的，除了零维宇宙不需要任何东西，像点样的积木。力、能量以及粒子本身固有的量子特性就足以。
