量子力學(xué)：最小物質(zhì)是夸克！它為什么是最小的粒子，不能再小了？

任何人都思考過這樣的問題，物質(zhì)到底能不能一直細(xì)分下去。如果物質(zhì)不能細(xì)分，那最小的物質(zhì)到底是什么？

按照目前的物理理論，物質(zhì)細(xì)分的最小程度就是夸克，到夸克就終結(jié)了，就不能再細(xì)分了。耐心看完文章你一定就明白了其中的道理。

在20世紀(jì)之前，人類還沒有發(fā)明電子顯微鏡，雖然那時(shí)候已經(jīng)知道原子的存在，但是在認(rèn)知上基本上還處于空白，對(duì)物質(zhì)的認(rèn)知基本停留在分子級(jí)別上。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了比分子尺度更小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，那就是原子。

但是原子到底長(zhǎng)什么樣，沒有顯微鏡可以直接看清楚，物理學(xué)家只能通過相關(guān)現(xiàn)象推測(cè)可能的原子結(jié)構(gòu)。

道爾頓

1803年，道爾頓最早提出現(xiàn)代原子模型，認(rèn)為原子就是物質(zhì)世界最小的粒子，是個(gè)不可再細(xì)分的實(shí)心球體，世界萬物都是基于這個(gè)最小的實(shí)體球的不同形式的排列組合才形成的。

當(dāng)然，這種思想繼承了古哲學(xué)家德謨克利特的原子論，是依靠主觀臆斷得出的結(jié)論。

到了1890年，人類已經(jīng)發(fā)明出了陰極射線管，通過照射硫化鋅可以觀察到一股綠色熒光。其實(shí)這些綠光就是磁場(chǎng)控制帶負(fù)電荷粒子流的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果。

正是由于陰極射線管的作用，物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)原子可以是帶電荷的。

但是有時(shí)候原子呈電中性，有時(shí)候呈電性。所以科學(xué)家推斷：電子絕對(duì)不是實(shí)心球，其內(nèi)部鑲嵌著電子。

原子呈電中性就證明原子內(nèi)部還有帶正電的物質(zhì)抵消了電子的電荷。

而原子呈電性就表明原子內(nèi)部的正負(fù)電荷比例失衡，要么內(nèi)部正電荷多一點(diǎn)才導(dǎo)致原子整體呈正電，反之亦然。

既然那時(shí)候科學(xué)家已經(jīng)知道原子是由電子和內(nèi)部帶正電的物質(zhì)構(gòu)成。那么就要思考這些電荷到底是怎么分布的，于是掀起了各種預(yù)測(cè)原子模型的浪潮！

比如，湯姆孫的“葡萄干面包”模型，認(rèn)為原子內(nèi)部的正負(fù)電荷就像葡萄干面包一樣均勻地分布在原子內(nèi)。

后來盧瑟福通過大量的α粒子散射實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，認(rèn)為原子內(nèi)部有個(gè)原子核，這個(gè)原子核呈正電，原子核外有一群帶負(fù)電的電子繞起運(yùn)動(dòng)，就和行星繞恒星運(yùn)動(dòng)一樣，遵守圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)則。

事實(shí)上，物理學(xué)對(duì)原子內(nèi)部的認(rèn)知發(fā)展到盧瑟福時(shí)期，依舊還停留在經(jīng)典力學(xué)上。

但是很快科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，按照麥克斯韋的電磁理論，繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)發(fā)出電磁波，這是一種能量的損失，減少能量的電子按照行星繞恒星運(yùn)動(dòng)的邏輯推理，必然會(huì)落到原子核上，這種過程在宇宙誕生的初期就會(huì)發(fā)生，后來宇宙中的所有原子核外就不可能還有一群電子在做圓周運(yùn)動(dòng)。

所以現(xiàn)在需要新的原子模型解釋這種現(xiàn)象。這時(shí)候猛男波爾橫空降臨。波爾才是真正將原子模型量子化的物理學(xué)家，從此原子模型就變得異常難以理解。

那時(shí)候，普朗克的能量量子化以及愛因斯坦的光電效應(yīng)已經(jīng)被認(rèn)可。

1913年，波爾根據(jù)氫原子光譜提出來電子的能級(jí)模型，認(rèn)為電子在原子核外處于不同的能級(jí)，能級(jí)不是類似行星軌道的概念。因?yàn)樾行擒壍赖母淖冇袀€(gè)轉(zhuǎn)移的過程，是連續(xù)的。

而能級(jí)之間的切換是躍遷的，一步到位，中間沒有過渡，電子吸收一份能量后，可以直接從低能級(jí)躍遷高能級(jí)，這個(gè)“一份能量”就是不可再細(xì)化的能量值，另一個(gè)學(xué)術(shù)名稱就叫能量量子化。

原子模型發(fā)展到波爾時(shí)期又出現(xiàn)了新的疑問。

既然萬物由原子構(gòu)成，原子又由原子核和電子構(gòu)成。那么電子和原子核又由什么構(gòu)成呢？

電子很早就被發(fā)現(xiàn)了，研究電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直在進(jìn)行，直到波爾模型提出之后，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)既然電子吸收能量是量子化的，那么電子不應(yīng)該有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

因?yàn)殡娮右坏┐嬖趦?nèi)部結(jié)構(gòu)，那么吸收和釋放的能量就不可能完全和光譜對(duì)應(yīng)上，因?yàn)殡娮拥膬?nèi)部結(jié)構(gòu)可能會(huì)“侵吞”部分能量，導(dǎo)致光譜和電子的躍遷時(shí)的能量變化值無法滿足線性關(guān)系。

所以物理學(xué)家從那時(shí)開始基本上就認(rèn)定電子是最小的一種粒子了，已經(jīng)不指望研究電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。

雖然盧瑟福最早發(fā)現(xiàn)了原子核，但是那時(shí)候他還不知道原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，盧瑟福的散射實(shí)驗(yàn)已經(jīng)說明，原子核比電子重得多，原子核大概率是有更小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。

當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道原子核帶正電，如果原子核有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這個(gè)正電荷應(yīng)該是由原子核內(nèi)部的物質(zhì)所賦予的。

如今我們已經(jīng)知道原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。

由于中子不帶電，當(dāng)時(shí)很難被觀察到。所以一度讓人誤以為原子核就是質(zhì)子。

事實(shí)上，質(zhì)子很早就發(fā)現(xiàn)了，在盧瑟福的散射實(shí)驗(yàn)中，盧瑟福就把原子核叫質(zhì)子，當(dāng)時(shí)認(rèn)為原子核就是質(zhì)子，所以研究原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)看來就是研究質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

盧瑟福明白：倘若原子核只有質(zhì)子的話，就會(huì)出現(xiàn)原子質(zhì)量不守恒的情況。

當(dāng)時(shí)盧瑟福已經(jīng)預(yù)測(cè)到原子核內(nèi)應(yīng)該還有一些不帶電荷的電中性物質(zhì)承擔(dān)了部分的原子質(zhì)量。但是沒有更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種物質(zhì)的存在。

直到1932年，科學(xué)家利用硼-10轟擊氮-13時(shí)才發(fā)現(xiàn)了原子核中還有一種不帶電荷的粒子，這種粒子正是中子。

這時(shí)候物理學(xué)才知道原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。

當(dāng)然，新的疑問立馬就出現(xiàn)了，質(zhì)子和中子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)嗎，它們又是由什么構(gòu)成的？

接下來就該夸克登場(chǎng)了，現(xiàn)在我們知道夸克有“色荷”的性質(zhì)，所以研究夸克之間的作用也叫量子色動(dòng)力學(xué)。

由于夸克的發(fā)現(xiàn)十分晚，所以量子色動(dòng)力學(xué)直到上個(gè)世紀(jì)60年代中期才有所建樹。

夸克的發(fā)現(xiàn)過程十分復(fù)雜，如果沒有深厚的專業(yè)物理知識(shí)，你可能看都看不懂。

我接下來會(huì)專門寫一篇介紹夸克發(fā)現(xiàn)過程的文章。

這篇文章只是簡(jiǎn)單還原一下夸克發(fā)現(xiàn)的思路

當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家雖然發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子，但是發(fā)現(xiàn)它們并不是特別穩(wěn)定，偶爾也會(huì)相互切換，也就是質(zhì)子在某種情況下會(huì)變成中子，中子會(huì)變成質(zhì)子。

本著樸素的哲學(xué)觀念，物理學(xué)家認(rèn)為：如果一個(gè)事物并不穩(wěn)定，并且會(huì)改變自己的狀態(tài)，那么這種改變一定是由內(nèi)部的因素決定的。

一個(gè)不可再細(xì)分的物質(zhì)是穩(wěn)定的，是不變的，如果它可以改變，那么就證明它必然存在內(nèi)部更小的結(jié)構(gòu)在發(fā)揮著作用。

最早從理論上預(yù)測(cè)夸克存在的是蓋爾曼和茨威格，并于1964年提出的相應(yīng)的夸克模型。

直到1968 年，在斯坦福線性加速中心進(jìn)行的深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)中才發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)部還有更小的點(diǎn)狀物，所以質(zhì)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)是確定的事實(shí)，這些點(diǎn)狀物就是夸克。

那夸克有沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？

現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)是：沒有！

因?yàn)榭淇艘呀?jīng)是最小的物質(zhì)了，屬于基本粒子。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，基本粒子就是最小的粒子，不可以再細(xì)分了，所以物質(zhì)細(xì)分到夸克就到頭了。或者嚴(yán)格一點(diǎn)說，就人類目前的物理框架，夸克內(nèi)部結(jié)構(gòu)是未知的，或者是未證實(shí)的弦！

可能很多人都難以相信，物質(zhì)難道細(xì)分到夸克就到頭了嗎？

不管是在感性還是理性上，都難以讓人接受。

為什么物理學(xué)家認(rèn)為夸克不可再細(xì)分了？

因?yàn)檫@和四大基本作用力有關(guān)系，之所以叫基本力，是因?yàn)檫@些力是宇宙中最基礎(chǔ)的相互作用。

所有宏觀世界的力學(xué)現(xiàn)象一旦追溯第一因果，最后會(huì)發(fā)現(xiàn)都是由這些基本力造成的，如果基本作用力還有更深層的機(jī)制，那也就不叫基本力了。

比如摩擦力，彈力的本質(zhì)是電磁力，摩擦力和彈力只是電磁力的宏觀體現(xiàn)。摩擦力之所以不是基本力，是因?yàn)樗淖饔眠€有更深層的原因，那就是電磁力。

地球繞太陽的向心力也不是基本力，因?yàn)樗皇且Φ谋憩F(xiàn)。

所以基本力的傳遞必然是由基本粒子承擔(dān)的。如果基本力的傳播子不是基本粒子，而是復(fù)合粒子，那復(fù)合粒子內(nèi)部又是什么力在起作用，所以這些所謂的基本力就不會(huì)是基本力了。

如今我們已經(jīng)知道，電磁力的傳播子是光子，它是基本粒子。

弱力的傳播子是W和Z玻色子，它們也是基本粒子。

強(qiáng)力的傳播子是膠子，它依舊是基本粒子。引力的傳播子是引力子，雖然引力子還沒有發(fā)現(xiàn)，但是科學(xué)家篤信引力子也是基本粒子，并且在標(biāo)準(zhǔn)模型中已經(jīng)給引力子預(yù)留了位置。

但是這些和夸克能不能再細(xì)分有什么關(guān)系？

當(dāng)然有關(guān)系，不可細(xì)分就證明夸克是基本粒子。

因?yàn)殡娮涌梢暂椛涔庾樱⑶沂亲钤嫉恼Q生渠道之一。

光子是基本粒子，就證明電子一定也是基本粒子，因?yàn)殡娮尤绻皇腔玖Ｗ樱敲摧椛涔庾颖厝皇怯呻娮觾?nèi)部引起的，那么電子就不是光子最原始的輻射渠道，目前沒有任何證據(jù)證明電子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

理論上，基本力的傳播子的生成也應(yīng)該是同級(jí)別的粒子造成的。

基本粒子之間的作用是同級(jí)別的，如果不是同級(jí)別，基本粒子應(yīng)該是和復(fù)合粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作用才對(duì)，而不應(yīng)該和復(fù)合粒子作用。

我們這時(shí)候再看看弱力和強(qiáng)力。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)弱力和強(qiáng)力的發(fā)生在夸克級(jí)別上，夸克的味變引發(fā)了弱力，夸克之間的禁閉是強(qiáng)力導(dǎo)致的。

所以弱力和強(qiáng)力這兩種基本力都是在夸克級(jí)別起作用的，所以我們有理由相信夸克就是基本粒子，其不可再細(xì)分了。

在文章的結(jié)尾，我不得不強(qiáng)調(diào)：目前所有推測(cè)都是建立在現(xiàn)有的物理框架中。

如果未來發(fā)現(xiàn)夸克具有更小的物質(zhì)成分，那將徹底摧毀整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型。并且可能會(huì)導(dǎo)致弱力和強(qiáng)力從基本力中剔除。

這樣一來，標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子將會(huì)徹底改寫。

其實(shí)我倒希望如此，如果科學(xué)都是按照人類簡(jiǎn)而美的觀念來發(fā)展，那么物理學(xué)在牛頓時(shí)代就已經(jīng)終結(jié)了。就不會(huì)有如今的量子力學(xué)和相對(duì)論了，我們自然也不能享受到這些理論帶來的科技成果。