夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

正所謂「一尺之錘,日取其半,萬世不竭」,在我們的想像中,無論多小的物體似乎都可以由更小的東西組成。正因為如此,從古到今,人們對「構成物質的最小單位」一直都充滿了好奇。

夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

在過去很長的一段時間內,人們都認為原子就是構成物質的最小單位,一直到19世紀末,科學家才發現了原子其實還可以再分為原子核以及圍繞著原子核運動的電子。在隨後的研究工作中,科學家又發現了原子核是由質子和中子構成。

夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

上個世紀30年代,粒子加速器的發明,使科學家們又有了新的手段來探索更小的物質單位,他們將質子、中子等亞原子粒子加速到極高的速度,然後讓它們正面對撞,從而在撞擊產生的碎片中找到了更小的物質單位。

時至今日,關於微觀世界,科學家給我們的答案是:物質是由原子構成,原子是由原子核和電子構成,原子核是由質子和中子構成,質子和中子又是由夸克組成。

夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

那麼再小下去又是什麼樣子呢?很遺憾,現在的觀測水平並不能給出完美的答案,因此就目前來看,我們只能說夸克是構成物質的最小單位。

那麼問題就來了,一個夸克到底有多小?

我們之所以能夠看到東西,是因為我們的眼睛感受到了從物體表面反射回來的可見光,如果沒有可見光,我們就什麼都看不見。

夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

事實上,可見光的光波最短就只有幾百奈米(1奈米等於10^-9米),而即使是「很大的」原子,它的尺寸都是屬於10^-10米的級別。這就意味著,我們連原子都無法直接看到,更別談像夸克這種級別的微觀粒子了。

那科學家是如何觀察夸克的呢?

想像一下,假設在巨集觀世界中,有一個物體不會反射任何的可見光,也就是說我們看不見這個物體。在這種情形下,我們有沒有其他的方法來觀察它呢?很顯然,答案是肯定的:雖然我們看不到它,但是我們可以用手去摸它。

但要是因為某種原因,我們不可能摸到這個物體呢?其實還有辦法,那就是我們可以不停地向這個物體扔出大量的乒乓球,然後通過對這些乒乓球擊中(或沒擊中)這個物體的各種反饋資訊,來分析出這個物體的形狀、大小等相關資訊。同樣的道理,在微觀領域中,對於原子尺寸的級別,科學家可以用技術手段來「摸」到觀察物件(例如掃描隧道顯微鏡),而對於更小級別的觀察物件,除了使用非常精密的探測儀器之外,就只能用上述的第二種方法了。

夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

他們向觀察物件發射出大量可探測的已知粒子(例如電子、光子等),然而通過各種精密儀器來得到這些已知粒子的反饋資訊,從而分析出觀察目標的各種物理屬性。

這種方法說起來簡單,但因為夸克實在是太小了,所以實際操作起來非常的難,科學家花了很長的時間,才得出了一個不是很精確的資料,即夸克的半徑大約為0.43 x 10^-18米。

夸克是構成物質的最小單位,一個夸克到底有多小?

順便講一下,其實大多數科學家都認為,以現在的科技水平,討論夸克的尺寸是沒有什麼實際意義的,為了方便研究,他們更傾向於將夸克、電子等基本粒子視為一個「點」。

 

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