宇宙基本粒子：它們有多小？是否真的沒有尺寸？

基本粒子有多小? 如果我們把一顆乒乓球放大到和地球一樣大, 那麼同樣比例下, 一個基本粒子才只有乒乓球那麼大。 在極端點, 把一萬億個基本粒子排成一列, 它們依舊能輕鬆穿過真空。 如此微小的存在, 科學家卻需要建造直徑2000米的巨型加速器來研究, 為什麼? 因為在微觀世界裡, 物質的規律和我們日常完全不同。 宏觀世界裡, 粒子有軌跡, 波瀰漫空間, 兩者精微分明。 但在微觀世界, 粒子能表現為波, 波又能像粒子一樣存在。 這意味著, 我們在探尋的不是更小的碎片, 而是理解物質最根本的形態。 基本粒子, 就是我們追問宇宙究竟有什麼構成的答案入口。 在19世紀的大部分時間裡, 我們都認為原子是物質的基本組成部分, 我們工作中的原子一次源於希臘語套Omicron Mu, 字面意思是不可分割。 如今, 我們知道原子本身並非真正不可分割, 但可以分裂成原子核和電子。 雖然我們無法分裂電子, 但原子核可以分解成質子和中子, 而質子和中子又可以進一步細分為誇克和膠子。 但是誇克,膠子和電子, 以及其他我們今天認為是基本粒子的粒子, 真的不可分割嗎? 我們很多人都想知道, 它們未來是否會被進一步分裂, 以及它們的真實尺寸究竟有多小。 標準模型中的粒子真的是點狀的嗎? 以下是我們目前所知的信息。 上面你看到的圖片確實非同凡響, 它是單個原子排列成特定分子結構的圖像, 其拍攝技術與老師照片並無太大區別。 照片的工作原理是, 特定波長的光照射到物體上, 其中一些光波會暢通無阻地穿過, 而另一些光波會被吸收, 還有一些會被反射。 通過測量穿過物體的光或從物體反射的光, 你可以構建物體的圖像,分別是負向或正向。 是什麼賦予了物質這種特性, 它能夠被拍攝。 這完全是因為光的一個特殊且常常違反直覺的屬性, 光表現為波。 所有波都有波長, 或者說它們具有特徵長度尺度。 如果你試圖對一個非常小的物體進行成像, 通常需要使用波長小於該物體的光, 否則波將毫無阻礙地穿過該物體。 然而,如果情況相反, 並且你試圖成像的物體的物理尺寸 大於你用來探測該物體的光波的波長, 你就能獲得該物體的圖像。 這讓我們在觀察特定物體的方式上 擁有了極大的控制權。 我們需要選擇一個成像波長, 使其能夠提供所需物體的高質量分辨率, 但波長不能太短, 以免波撞擊物體造成損壞或破壞。 畢竟,波長越短, 物體的能量就越大, 而高能撞擊可以造成電子電離、 原子或分子間斷裂, 甚至分裂原子核。 那麼,在探測物質結構時, 應該選擇什麼波長的光呢? 這取決於你觀測系統的大小, 以及你需要獲得什麼樣的細節。 這些特性有助於解釋以下原因。 我們需要相對較大的天線來接收無線電波, 因為廣播電臺的波長很長, 而你需要一個尺寸相當的天線來接收信號。 為什麼微波爐的門上會有小孔, 讓長波長的微波被反射並留在裡面, 而短波長的可見光可以射出來, 讓你看到裡面的東西, 以及為什麼太空中的微小塵埃顆粒 可以擅長阻擋短波長, 而對長波長的阻擋效果較差, 甚至對更長波長的光的阻擋也非常糟糕。 那麼,我們如何才能獲得物質的圖像, 直至最小尺度呢? 使用光子,或者說光量子, 是合理的, 因為它們是我們最常用且最成功的 宏觀世界成像工具。 我們很容易認為, 在所有尺度上對物體進行成像時, 光或光子纔是真正的最佳選擇。 畢竟,如果你想構建某個物體的圖像, 為什麼不把光用於所有目的呢? 問題是,你可以使用光, 但這不是必須的。 物理學的核心在於, 在構建圖像時, 它並不關心你是否是光子。 物理學關心的只是你具有波動性, 如果是,那麼你的波長是多少? 如果你是一個光量子, 那它就是你的光子波長。 但如果你是不同的量子粒子, 即使是具有靜止質量的粒子, 比如電子, 你仍然會有一個與能量相關的波長, 實際上,選擇使用光波還是物質波並不重要, 重要的是波長。 這就是我們探測物質 並確定物體尺寸的方法。 沒錯,物質就像光一樣, 從根本上來說, 既是粒子,也是波。 量子力學不僅預言了這一點, 觀察和測量也證實了這一點。 物質的這一特性 在首次揭示時令人震驚, 科學家們對其進行了令人厭煩的研究, 並對所見所聞感到困惑和震驚。 如果你將一個電子 射過一道屏障上的狹縫, 它會在另一側形成一小堆電子。 然而,如果你在靠近第一道狹縫的地方 再開一道狹縫, 你就不會得到兩堆電子, 就像你預期的那樣。 如果電子表現為傳統的宏觀物質粒子, 相反, 你會在雙縫的另一側觀察到干涉圖樣, 就好像你的電子真的表現得像波一樣, 就像光波、水波或任何其他已知的波一樣。 當人們嘗試控制電子, 將它們逐個射向這兩個狹縫時, 事情變得更加怪異。 他們設計了實驗, 記錄電子逐個落在狹縫後屏幕上的位置。 隨著電子一個接一個地發射, 相同的干涉圖樣開始出現。 電子不僅表現得像波, 而且它們不需要其他電子就能產生干涉, 每個電子都表現得好像可以與自身發生干涉。 那麼, 如果電子像光子一樣有波長, 你如何利用它們來探索這些微小的基本尺度呢? 你只需像研究光子一樣, 獲得更高的能量, 這對應於更短的波長和更短的距離尺度。 你賦予粒子的能量越高, 你能探測到的結構尺寸就越小。 如果你能提高電子的能量, 你的波長就會越短, 最終構建的圖像分辨率也會越高。 如果你能精確測量分裂非基本粒子所需的條件, 你就能確定所需的能量與值, 從而瞭解該粒子的物理尺寸。 這一項技術時, 我們能夠確定原子並非不可分割, 而是由電子和原子核組成, 它們的總尺寸約為一億。 原子核可以分裂成質子和中子, 每個質子的尺寸約為1Fm。 如果用高能粒子轟擊電子、 夸克或膠子, 它們根本不會顯示出任何內部結構的證據。 目前,我們的實驗尚未發現任何證據表明標準模型粒子具有複合性, 直至我們所能探測到的絕對極限。 基於在高能粒子對撞機上進行的實驗, 我們可以得出結論, 至少就我們能夠測量的尺度而言, 每個標準模型粒子都是真正的基本粒子。 我們認為, 基本粒子應該意味著該粒子絕對不可分割, 它無法被分解成構成它的更小的實體。 簡而言之, 我們無法將其打開, 也無法從任何物理意義上看到它的內部結構。 根據我們目前最完善的粒子物理學理論, 所有已知粒子, 六種夸克和六種反夸克, 三種帶電氫子和三種反氫子, 三種中微子和反中微子, 八種膠子, 光子,W玻色子和Z玻色子, 以及希格斯玻色子, 都被認為是不可分割的, 基本的,點狀的。 在我們能夠進行的實驗中, 它們完全符合這一概念。 但問題是, 我們不知道標準模型粒子的這種不可分割特性 是否在最小的物理尺度上也同樣適用。 常然,標準模型認為事物就是這樣的, 但我們知道, 標準模型並不能為我們關於宇宙的所有問題 或探究提供最終答案。 事實上,我們知道, 在某種程度上,標準模型必然會失效, 並且是錯誤的, 因為它無法解釋我們能夠測量的宇宙中的大量事物。 具體來說, 標準模型無法解釋 引力、暗物質、暗能量 或宇宙中物質的佔主導地位, 一定存在著某種超越我們已知自然屬性的東西。 當然, 也有可能存在著標準模型之外的新粒子, 而它們正是解開這些謎團的關鍵。 但也有可能, 我們今天認為是基本粒子、 點狀粒子且不可分割的粒子實際上並非如此。 或許, 如果我們達到足夠高的能量和足夠小的波長, 我們將能夠發現, 在某個點上, 在大型強子對撞機的最大能量尺度 和普朗克能量尺度之間, 宇宙實際上比我們目前所知的還要廣闊。 對於自然界的基本粒子而言, 粒子碰撞技術是我們目前掌握的 用於研究它們及其性質的最靈敏的工具。 我們可以觀察這些碰撞的結果, 包括哪些粒子被產生或毀滅, 是否有硬球散射的證據, 如果有, 這些硬球的尺寸和橫截面積是多少, 是否存在任何能量缺失或動量缺失, 這表明存在不可見的粒子, 以及碰撞碎片的各種其他可重建的性質, 包括它們產生的子粒子數量。 迄今為止, 我們掌握的關於這些基本粒子 基本不可分割性質的最佳證據, 就是這些基本粒子從未被觀察到分裂, 展現內部結構, 或暗示它們具有有限的尺寸, 但我們當中的好奇者不會僅僅滿足於 我們目前設定的極限。 如果我們止步於原子, 就永遠無法發現原子內部蘊藏的量子祕密。 如果我們止步於質子和中子, 就永遠無法發現充斥宇宙的 正常物質的底層結構。 而如果我們止步於現在的標準模型, 誰知道我們永遠無法揭開什麼樣的祕密呢? 科學並非那種半途而廢, 想當然的結論。 我們明知實驗結果, 卻只為了驗證所獲知的。 科學關乎發現, 它關乎突破已知邊界, 通過探究自然自身的物理問題 來瞭解自然。 它關乎探索我們從未涉足的領域, 探尋不確定性面紗背後的奧祕。 或許有一天, 全人類都會審視我們所掌握的知識, 以及為了邁出下一步需要構建的規模, 然後說我們不可能做到這一點, 但我們現在還未達到這個境界。 我們知道什麼是可能的, 我們也擁有實現它的技術訣竅。 我們知道如何更上一層樓, 我們知道如何將對撞機的能量 提升到下一個數量級和下一個有效數字, 這意味著我們能夠在更小的尺度 和更小的尺度上, 更靈敏地探索自然。 標準模型粒子在大型槍子對撞機, 宇宙射線或任何其他實驗中 均未顯示出複合的跡象, 但這些只是目前所知的侷限性。 我們今天所理解的宇宙 真的就是宇宙的全部嗎? 不可能! 在我們揭開關於真正根本的自然奧祕的最後一絲曙光之前, 我們不能停止探索。 20世紀初, 當物理學家的研究深入到分子、原子 以及更深的層次時, 卻發現這些微小的粒子有許多奇怪的行為, 不能用以往的經驗來解釋。 法國有一位歷史學家叫路易斯·德布羅伊, 他受到研究實驗物理學的哥哥的影響, 改行研究物質結構。 1924年, 他向巴黎大學理學院遞交了一篇博士論文, 在論文中他提出了一種新觀點, 認為任何一個粒子的運動 都有一種波和它伴隨, 並影響到粒子的運動。 這種波的波長和粒子的動量成反比, 由於我們肉眼所看到的物體質量太大, 用德布羅伊的公式來計算波長就非常之短, 觀察不到這種波的影響。 可是,對於原子和分子世界中的粒子來講, 這種波的行為卻很強烈。 德布羅伊認為, 只要承認這個假定, 就可以解釋如原子這類粒子的許多反常的行為。 開始, 大家對他的說法將信將疑, 不久實驗證實了德布羅伊的觀點, 這位新博士因此獲得了諾貝爾獎。 物理學家在探索微觀世界時, 經常採用的一種方法 是把一束已知性質的基本粒子作為炮彈, 去轟擊所要研究的某種未知的基本粒子, 通過觀察它們之間的相互作用, 來研究把粒子的性質。 在研究基本粒子的時候, 為了看清它的結構, 作為炮彈的基本粒子的波長 應該越短越好, 或者是它們的動量越大越好, 否則,由於波動的強烈幹擾, 很難對把粒子作出精確的測量。 可是,粒子次的能量越大, 它們就越難馴服, 就是要它們轉個彎也很不簡單。 解決的辦法 只能把加速器的跑到彎曲的程度儘量減小, 這樣加速器的直徑也就越來越大了。 著名的義大利原子物理學家恩里科費米 曾風趣地說過, 如果人們想要製造一臺能量達到宇宙射線那樣的加速器, 這臺加速器的圓周 就會大得足以套到地球的赤道上。 但是,人們相信, 將來利用某種新技術, 可以使加速器的尺寸大為縮小。 不過,從目前的情況來看, 物理學中研究的對象越小, 實用的儀器設備確實是越來越大了。 宇宙中的基本粒子既不會創生, 也不會消滅, 它只能從一個物體轉移到另一個物體, 或者從物體輻射到外部空間。 在變化的過程中, 基本粒子的數量保持不變, 這就是宇宙基本粒子守恆定律。 基本粒子的變化是宇宙運動變化的原因, 基本粒子的質量, 空間半徑的變化是宇宙空間, 能量,質量變化的原因。 根據愛因斯坦智能方乘以等於mcr平方, 質量的損失必然產生能量。 我們將這一規律應用到基本粒子, 基本粒子質量的損失產生能量, 能量必然推動質量運動, 基本粒子質量損失產生能量的同時, 自身的半徑在增大, 所以宇宙整體必然是膨脹的。 根據愛因斯坦智能方乘我們容易推出, 基本粒子質量損失一半, 必然光速運動, 這就是光子的形成。 這裡所說的光子是廣義上的光子, 包括可見光子和不可見光子。 宇宙的基本粒子是守恆的, 由基本粒子的定義極特性中已得出結論, 宇宙中的電荷是守恆的。 這一結論也可用物理學公認的 電荷守恆定律證明, 電荷守恆定律, 一個與外界沒有電荷交換的系統, 電荷的代數和保持不變。 由於宇宙是一個與外界 沒有電荷交換的系統, 所以宇宙的電荷守恆。 由於基本粒子的質量時刻在變化, 宇宙的質量是基本粒子質量的綜合, 所以宇宙的質量必然是時刻在變化。 質量,能量的轉化是宇宙膨脹 收縮的原因。 在宇宙中, 沒有質量的損失就沒有能量的增加, 同樣沒有能量的損失就沒有質量的增加, 宇宙的演化過程 就是宇宙質量、能量的轉化過程。 宇宙膨脹說明 宇宙質量的損失是主要矛盾, 宇宙收縮說明能量的損失是主要矛盾。 宇宙膨脹到最大半徑時, 宇宙由廣義上的光子組成, 及能量的宇宙。 宇宙收縮到最小半徑時, 宇宙由不運動的基本粒子組成, 及質量的宇宙。 中微子是宇宙中一種基本粒子, 它非常小。 打個比方,如果原子就是太陽系, 那麼中微子就相當於一個高爾夫球, 中微子和物質發生作用的機率非常低, 以至於很容易被錯誤讀數所掩蓋, 例如被自然發生的放射性讀數, 或者是宇宙射線這樣的帶電粒子撞擊引起的讀數。 研究中微子的唯一方法就是找到 儘可能排除這些幹擾粒子的方法。 地下深處是研究中微子的自然實驗室, 科學家們在那裡可以研究中微子的特性。 實驗室中包含一個巨大的探測器 用來探測儘可能多的中微子。 探測器發現並計數中微子, 希望能夠檢測中微子的特性, 從而使我們知道更多中微子的特徵。 一開始,中微子的速度並非科學家們關心的首要問題, 他們試圖弄清三種不同類型的中微子如何形成的, 以及它們的特徵是什麼。 實驗的第一步是製造出一些中微子, 科學家們轉戰到另一個地下實驗室, 位於瑞士的歐洲核子研究組織, SUN因其大型強子對撞機而聞名。 科學家們先產生一束質子, 然後在圓形質子同步加速器中進行加速, 質子數隨後進入超級質子同步加速器進行進一步加速, 然後就能獲得高能質子數, 猛烈轟擊目標——石墨。 如此就產生了獨特的亞原子混合物, 其中就包括中微子, 隨後中微子將向格朗薩索方向飛去, 730公里的路程中微子需要花費2.4毫秒。 在SUN的加速器中, 每天都有數十億中微子產生, 他們穿過地殼到達Opera探測器, 即使有數十億中微子湧進實驗室, 探測它們仍非一事, 關鍵就是位於格朗薩索中心部位的巨大探測器, 它由15萬個鉛塊構成, 重達4500噸, 鉛特別稠密, 這會增加中微子撞擊原子核的機率, 當中微子衝進鉛的原子核, 就會產生帶電粒子, 這會以微小閃光被探測到, 這個過程每天會產生大約30次閃光, 這也提供了更多研究關於中微子的機會, 雖然這個實驗的設計是從非常基礎的角度來研究中微子的特徵, 中微子的類型以及它們可能的如何相互轉化, 但是還可以研究更多中微子的基礎特徵, Opera認為它們還可以測量中微子的移動速度和時間, 當科學家們開始測量中微子到達需要花費的時間時, 它們似乎比物理學規則早到了一回, 相對於一束光走完相同的路程早到了十一分之六十秒, 或者說六十奈秒, 那意味著中微子比光速還要快, 僅僅快了這麼一點或許你覺得無所謂, 但物理學可不是這樣的, 絕對速度限制的根本就是絕對性, 在任何情況下都不能被超越, 不管超過的有多麼微小, 在我們如今對宇宙的理解中, 那是不可能發生的。 研究者們自己都被結果震驚了, 他們花好幾個月的時間來尋找錯誤, 他們尋找相關專家, 同時進行數百次研究數學尋找錯誤, 甚至把意大利和瑞士之間的大陸移動導致的 極其微小的距離改變都考慮了進去, 但還是不能發現任何錯誤, 所以他們決定發表研究結果, 當消息傳出, 引起了巨大轟動, 沒有物體能比光速更快的理論受到挑戰, 如果真的屬實, 在物理學界將是一場地震, 如果光速被證明不是絕對速度, 所有的教科書都得重頭再來, 不過有人認為測量可能出錯或者其他未知因素, 但無論如何, Opera發表研究結果並非抱著畢生信念, 而是請求科學界探索他們可能發下的錯誤, 多謝您收睇時局新聞,再會!