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量子物理:为何夸克是已知的最微小粒子,再无更小之物?

2024-10-25科学

许多人可能是在高中物理教材中首次接触到夸克这一概念。

同时,许多人认为夸克是迄今为止人类发现的最微小的物质构成单位,但他们也普遍认为存在更微小的结构,只是人类目前的观察技术尚未能够发现。

至于夸克是否存在更细微的粒子结构,这目前尚无定论。在现有的标准模型中,夸克被视为基本粒子,即它们被认为是构成物质的最基本单元。

然而,将夸克定义为基本粒子并不意味着它们一定是最细小的粒子。随着物理学的进步,基本粒子的定义可能会持续更新。

从哲学角度出发,夸克很可能拥有内部结构。

因为按照哲学理论,构成宇宙的物质要么无限可分,要么有一种最基础、不可分割的物质存在。这种基础物质应当是单一且无差别的,具有完全相同的属性。

目前已知的夸克及其反物质共有12种,它们在质量和电荷上存在差异。因此,信仰哲学的物理学家通常认为夸克是可分的。

但哲学是哲学,事实是事实。哲学可以指导思维,但不应决定事实。

那么,夸克内部真的没有结构吗?

根据现代物理学的观点,答案是否定的!

因为夸克已经是最细小的物质单位,属于基本粒子。

在标准模型里,基本粒子是不可再细分的,意味着物质的细分到夸克就已经达到极限。或者更严格地说,在目前的物理学框架内,夸克的内部结构是未知的,或者说未被证实的存在。

许多人难以置信,难道物质的细分仅止于夸克吗?

无论是感性还是理性上,这都是难以接受的。

为什么物理学家会认为夸克无法继续细分呢?

这与四大基本力有关,这些力是宇宙中最基本的相互作用力。

所有宏观力学现象都可以追溯到这些基本力,如果基本力的更深层机制存在,那它们就不能称为基本力了。

例如,摩擦力和弹力本质上是电磁力的表现,摩擦力和弹力只是电磁力在宏观上的体现。摩擦力不是基本力,是因为它背后有更深层的电磁力作用。

地球围绕太阳运动的向心力也不是基本力,它仅是引力的一种表现形式。

因此,基本力的传递必须由基本粒子来完成。如果基本力的传播子是复合粒子,那么复合粒子内部是什么力在起作用,这些基本力也就不再是基本力了。

我们知道,电磁力的传播子是光子,它是基本粒子。

弱力的传播子是W和Z玻色子,它们同样是基本粒子。

强力的传播子是胶子,同样是基本粒子。引力的传播子假定为引力子,尽管引力子尚未被发现,但科学家坚信引力子也是基本粒子,标准模型中也为引力子预留了位置。

这些传播子和夸克是否可再细分有何联系呢?

当然有联系,不可再细分意味着夸克是基本粒子。

电子能辐射光子,并且是最初的产生途径之一。

光子是基本粒子,这证明了电子也必须是基本粒子,因为如果电子不是基本粒子,那么其辐射光子的过程必然源自电子内部,这意味着电子不是光子最初的辐射来源,目前没有任何证据显示电子有内部结构。

理论上,基本力的传播子的产生应由相同级别的粒子触发。

基本粒子之间的互动是等级相当的,如果不是同等级,那基本粒子就应该与复合粒子内部结构发生作用,而不是与复合粒子本身发生作用。

再来看弱力和强力。

科学家们发现,弱力和强力的作用发生在夸克级别,夸克的味变引起了弱力,夸克间的结合由强力导致。

因此,弱力和强力这两种基本力都在夸克级别上发挥作用,这使我们有理由认为夸克确实是基本粒子,且不可再细分。

为什么夸克不能被撞开呢?

因为夸克无法独立存在,更不用说撞开一个独立的夸克了。

夸克通常是三个一组,组成了质子或中子。夸克之间的互动依赖强力,胶子负责传递强力。

强力的性质与电磁力和引力完全相反。

我们知道,电磁力和引力的强度与距离的平方成反比,距离越远,力越弱。

而夸克间的强力却是反其道行之,夸克间距稍拉开,强力就成几何倍增强,这就是所谓的夸克禁闭。

因此,要拉开夸克需要投入比几何倍更多的能量。

这主要是因为胶子将夸克连在一起,形成了强力,具有夸克禁闭效应。

因此胶子难以从夸克中脱离。但这并不是说胶子无法脱离夸克,只要能量足够大,胶子还是可以脱离的。

一旦胶子脱离夸克,释放的能量将形成正—反夸克对,这些新形成的正—反夸克对即是介子,介子实际上是游离于质子和中子之间的残余强力,即我们熟悉的核力。核力负责维持原子核的稳定。

如今,许多科学家对撞开夸克不再抱有希望,因为夸克已经被归入标准模型中的基本粒子。

基本粒子的定义即是不可再细分的最细小物质单位,物质的细分到此为止

但许多科学家并不认同这一观点,他们认为夸克不可再分只是现有标准模型的一种妥协。

现有的标准模型并非完美,存在诸多缺陷。

理论上,科学家已推断出物质的理论最小尺度是普朗克长度。

这并非意味着普朗克长度之下不存在任何事物,而是在普朗克长度以下的任何物理现象都不会影响现实世界。

也就是说,世界被划分为普朗克长度以上的物理世界和普朗克长度以下的世界,这两个世界的物理规律不互相作用。普朗克长度以下可能不存在引力、弱力和电磁力。

根据普朗克长度的定义,我们的现实世界的最小尺度可能就是一个普朗克长度,因此我们有理由相信可能存在一个正好为一个普朗克长度的物质单元,这种物质单元可能是构成世界万物的最基本单位,进而组成了各种粒子,这些粒子再组成原子,原子构成我们的宏观世界。

文章的最后,我必须强调:所有这些推测都是基于现有的物理框架。

如果未来发现夸克内部存在更微小的物质成分,那将颠覆整个标准模型。这可能导致弱力和强力不再被视为基本力。

这将彻底改写标准模型中的基本粒子的概念。

事实上,我个人是希望这样的,如果科学总是遵循人类简洁美好的逻辑发展,那么物理学可能早在牛顿时代就停止了,也就不会有现今的量子力学和相对论,我们自然也无法享受这些理论带来的科技成就。