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，對物質(zhì)的認(rèn)知基本停留在分子級別上。

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，是個不可再細(xì)分的實心球體，世界萬物都是基于這個最小的實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。其實這些綠光就是磁場控制帶負(fù)電荷粒子流的運(yùn)動產(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。

但是有時候原子呈電中性，有時候呈電性。所以科學(xué)家推斷：電子絕對不是實心球，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粒子散射實驗得出結(jié)論，認(rèn)為原子內(nèi)部有個原子核，這個原子核呈正電，原子核外有一群帶負(fù)電的電子繞起運(yùn)動，就和行星繞恒星運(yùn)動一樣，遵守圓周運(yùn)動的規(guī)則。

事實上，物理學(xué)對原子內(nèi)部的認(rèn)知發(fā)展到盧瑟福時期，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)動的電子會發(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)動的邏輯推理，必然會落到原子核上，這種過程在宇宙誕生的初期就會發(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。

所以現(xiàn)在需要新的原子模型解釋這種現(xiàn)象。這時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模型，認(rèn)為電子在原子核外處于不同的能級，能級不是類似行星軌道的概念。因為行星軌道的改變有個轉(zhuǎn)移的過程，是連續(xù)的。

而能級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，可以直接從低能級躍遷高能級，這個“一份能量”就是不可再細(xì)化的能量值，另一個學(xué)術(shù)名稱就叫能量量子化。

原子模型發(fā)展到波爾時期又出現(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)。

因為電子一旦存在內(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應(yīng)上，因為電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能會“侵吞”部分能量，導(dǎo)致光譜和電子的躍遷時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，但是那時候他還不知道原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

同時，盧瑟福的散射實驗已經(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。

事實上，質(zhì)子很早就發(fā)現(xiàn)了，在盧瑟福的散射實驗中，盧瑟福就把原子核叫質(zhì)子，當(dāng)時認(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，就會出現(xiàn)原子質(zhì)量不守恒的情況。

當(dāng)時盧瑟福已經(jīng)預(yù)測到原子核內(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。但是沒有更多的實驗驗證這種物質(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力學(xué)。

由于夸克的發(fā)現(xiàn)十分晚，所以量子色動力學(xué)直到上個世紀(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，你可能看都看不懂。

我接下來會專門寫一篇介紹夸克發(fā)現(xiàn)過程的文章。

這篇文章只是簡單還原一下夸克發(fā)現(xiàn)的思路

當(dāng)時的物理學(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，偶爾也會相互切換，也就是質(zhì)子在某種情況下會變成中子，中子會變成質(zhì)子。

本著樸素的哲學(xué)觀念，物理學(xué)家認(rèn)為：如果一個事物并不穩(wěn)定，并且會改變自己的狀態(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驗中才發(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，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！

因為夸克已經(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?；蛘邍?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？

因為這和四大基本作用力有關(guān)系，之所以叫基本力，是因為這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，是因為它的作用還有更深層的原因，那就是電磁力。

地球繞太陽的向心力也不是基本力，因為它只是引力的表現(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。

因為電子可以輻射光子，并且是最原始的誕生渠道之一。

光子是基本粒子，就證明電子一定也是基本粒子，因為電子如果不是基本粒子，那么輻射光子必然是由電子內(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)該是同級別的粒子造成的。

基本粒子之間的作用是同級別的，如果不是同級別，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，而不應(yīng)該和復(fù)合粒子作用。

我們這時候再看看弱力和強(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，那將徹底摧毀整個標(biāo)準(zhǔn)模型。并且可能會導(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徹底改寫。

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