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物理学家第一次使用质子撞击电子时，观察到电子被质子内部的三个小硬核反弹回的现象。这些核后来被称为夸克，是组成质子的更小的粒子。夸克是我们在科学研究中遇到的最小粒子。夸克的发现意味着质子和中子不再是最基本的组成粒子。  为了更深入地理解，我们来剖析物质，逐层探究其组成。 总体看来，物质很坚固且它的性质很容易被测量。然而，即使是一个6岁的孩子也能推断出他精心搭建的沙堡是由数十亿粒微小的沙粒组成的...那么接下来的问题是：沙粒是由什么构成的?  原子 剥去一层，你会发现一个整齐有序的原子结构。原子的概念最初是由希腊人提出的，他们认为物体可以被无限地一分为二，直到剩下一个独立的、不可分割的物质点。这个微小到难以想象的单位不能再分割了，因此被称为“原子”，源于希腊语的A-tomos。A代表“不”，tomos代表“可切分的”或“可拆分的”。  图源：scienceabc 令人惊讶的是，这一理论并不成功。大多数关于基本成分的文献都丢失了，它们在几个世纪后被找回。大约两千年后原子才被确认为一个真实存在的基本物理对象。 化学家约翰·道尔顿在19世纪时对气体进行了一系列巧妙的实验才使得这一推测最终得到了证实。原子的平均直径约为50纳米，即一粒沙子的百万分之一。然后原子就成为了人类所知的最小的粒子。  亚原子粒子 到了1897年，J.J.汤姆森先生经过深入研究发现了更基本的东西——电子!这是一个革命性的发现，电子技术的先驱们对此感激不尽。一个电子的“平均”直径是10^-13厘米，比一粒沙子小20000亿倍。 由于原子呈电中性，汤姆森认为电子的负电荷一定被嵌入其中的一小块正电荷所抵消了。这就是著名的“葡萄干布丁”模型。  然而这个想法被有力地驳回了。1911年，卢瑟福用α射线轰击一片薄薄的金箔，发现原子的大部分是空的，但原子中央有一个正电荷。他把中央部分称为原子核，并把带正电荷的粒子命名为质子。据测量，质子的“平均”直径比电子的“平均”直径小三倍，但它的质量比电子大1837倍! 卢瑟福还假设电子围绕原子核旋转，类似于太阳系的行星模型。但是在这两个模型中，中央实体与依附其存在的实体之间的距离存在着天壤之别。  图源：scienceabc 好景不长。不久，化学家们发现了同位素——这些元素的化学性质难以区分，但它们的原子质量不同。一对同位素似乎含有相同数量的质子，但它们的总质量存在差异。 对此，卢瑟福认为存在一种新的基本粒子，比质子略重，但呈电中性。1932年，詹姆斯·查德威克发现了这种基本粒子——中子。中子和质子的大小相同，但质量大约是电子质量的2000倍。  至此，我们还能进一步分离物质吗？难道10^-14厘米还不够小吗?事实上，这确实还不够小。 夸克 为了寻找比电子、质子和中子更微小的粒子，我们制造了粒子加速器。  世界最大粒子加速器内的粒子碰撞 图源：Seeker / Youtube 加速器以极高的速度粉碎亚原子粒子，使它们的成分暴露出来。这类似于研究一台电视机的内部结构，把它从20层楼高的楼顶扔下去，然后仔细检查破碎的部件。 当物理学家们第一次开始将电子与质子碰撞时，他们观察到电子被质子内部的三个小硬核反弹。科学家发现，这些硬核是组成质子的更小的粒子。这些基本粒子被称为夸克，夸克的发现意味着质子和中子不再是基本粒子。我们已经写了一篇更详细、更引人入胜的文章，专门讨论夸克的性质和行为。你可以在这里找到。 但是我们还能够进一步挖掘下去吗？ 原子的基本微粒 不能再小了。夸克是我们用沙粒进行科学探索时遇到的最小的实体。实际上应该是夸克和电子。可为什么是电子呢？  图源：scienceabc 与其他粒子不同的是，电子仍然被坚定地认为是一个真正的基本组成粒子。它没有办法被分解成更基本的成分。然而，如果电子和夸克是基础粒子，夸克又存在于质子中，那么电子的半径怎么会比质子的半径大三倍呢? 亚原子粒子的半径是我们基于某些假设来测量的。例如，当一个电子的质能势被假定完全包含时，它的半径就会比质子的半径大。基于质子与电子的质量比，我们可以较准确地计算电子半径。 利用这些比值，我们发现一个电子的半径比我们之前认为的要小十倍左右，大约十亿分之一的十亿分之一厘米或者10^-17厘米。  图源：scienceabc 这便是为什么我一直用“平均”这个词来描述这些粒子的物理性质。半径是一个维度结构，与实际半径无关。 对于夸克，我们也没有进展。他们不能被进一步分离。即便被分离了，也不会持续太久。分离持续的时间只有十亿分之一秒!分离一对夸克所需的巨大能量使得它可以形成两个夸克。  图源：scienceabc 不要被这些能量吓到。可以试着这样想……你实际上是在试图撕裂现实的本质。 为什么我们对于“尺寸”的概念是错误的？ 当我们问这些问题时，脑海中浮现的亚原子粒子的图片其实是错误的。“粒子”这个词经常让人联想到物理教材中无处不在的小钢球或小台球的图片。然而，在如此微小的维度上，它们的结构和活动根本不像我们的日常经历。 在量子力学领域，形状的定义并不简单。它们的物理性质无法精确测量，它们在特定区域的存在只能通过概率被定义。 图源：scienceabc 尽管如此，科学家们还是设法进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，和电子在同一个数量级。 在这一点上，我们必须认识到，标准模型，即粒子物理学中的宝石，并不是用亚原子粒子的大小或质量来描述它们，而是用它们的能量来描述。质子或中子没有固定的形状或体积——它的体积是由其组分所被限制在的空间大小决定的。 夸克、电子或任何其他亚原子粒子都只是聚集的能量。它们没有特定的顺序，而基本粒子，如夸克和电子，则被认为是点状的。它们没有维度，被认为是空间中的一个没有维度的点。把它们当作点只是一种有用的简化，因为不存在相反的证据。 图源：scienceabc 基于这些考虑建立的模型以惊人的准确性成功地获取了迄今为止所有已知的信息。它被认为是任何领域中最精确的理论。当然，这一假设，就像科学上的任何假设一样，并不害怕在新的假设出现时被推翻和抛弃。只要有证据，科学家们并不担心会再次回到起点。在这种情况下，一个粒子的内部探索会不断进行下去。 参考资料 1.Wikipedia百科全书 2.天文学名词 3. sciabc-达拉 如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除 转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处 翻译：天文志愿文章组-达拉 审核：天文志愿文章组- 排版：零度星系 参考资料 1.WJ百科全书 2.天文学名词 3.原文来自：http:///FA4oE 本文由天文志愿文章组-达拉翻译自sciabc的作品，如有相关内容侵权，请于三十日以内联系运营者删除。 注意：所有信息数据庞大，难免出现错误，还请各位读者海涵以及欢迎斧正。 结束，感谢您的阅读与关注全文排版：天文在线（零度星系） 转载请取得授权，并注意保持完整性和注明出处 浩瀚宇宙无限宽广 穹苍之美尽收眼底 |
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