構成萬物的基本粒子有多小？

電磁波譜各個部分的大小、波長和溫度/能量。（ NASA & Wikimedia Commons）

當你取任何數量的物質時，不管它多大或多小，構成它的只有兩個選項：要麼它可以被分割成更小的物質，要麼它是真正基本且不可分割的。在19世紀的大部分時間裡我們都認為原子是基本的，最小的實體，原子的希臘語是「?τομο?」，譯為「不可切分的」。但我們現在知道的更多：原子是由原子核和電子組成的，而原子核則是由質子和中子構成的，它們又可以繼續被分割成更基本的夸克和膠子。但是，我們可以繼續分割下去嗎？我們要如何得知這些粒子的「大小」？

「大小」其實是一個很難的概念，但是量子力學可以幫助我們理解。

一個並五苯分子，由IBM的原子力顯微鏡拍攝。（ Alison Doerr）

上面的這張圖片顯示的是一個相對簡單的分子中的原子，拍攝該圖的技術與傳統拍攝技術並無很大的區別。光是由光子組成的，具有波的性質，因此當光子與其他物體相互作用的時候，光子會攜帶一定的信息。光具有波的性質使我們能夠利用光來拍攝特定大小的物體。之所以說特定大小時因為利用波來探知物理世界的問題是，你所得到的影像品質受限於所使用的波長。舉個簡單的例子，假設在游泳池中的水波波長為1米，此時你把一根很細的木棍豎直插入游泳池，池裡的水波會不受干擾的通過木棍，因為一米波長的水波不會被如此小的物體所影響。因此，如果你想知道木棍的信息，你就需要用跟木棍大小一般的波長或更短的波長。這也是：

為什麼你需要一個相對較大的天線來接受無線電波，因為無線電波的波長較大需要大量的天線來探測它們。

為什麼微波爐門的「洞」能夠把微波困住在微波爐內，因為微波的波長比洞的大小大。

為什麼在太空中的塵埃顆粒可以很好的擋住短波長（藍色）的光，但對長波長（紅色）就無法進行有效的阻擋，以及為什麼對於更長的輻射（紅外）而言塵埃完全就是透明的。

巴納德68，塵埃豐富的博克球狀體。左邊為可見光成像，右邊為紅外成像。紅外線完全沒有被塵埃阻擋，因為塵埃顆粒太小了不與長波長的光作用。（ ESO）

簡而言之，一個光子最多只能用來探測到與其波長相當或者較大的尺度。如果你想「看見」越來越小的尺度，你就需要用波長越來越短的光子。由於光子的能量和波長是呈反比的，這就意味著需要越來越高的能量來探測越來越小的尺度。

光子不同的波長對應不能的能量。我們的眼睛看到的稱為「可見光」，其波長在400-700納米左右。通常來說，這已經小到足以讓我們不去擔心波長解析度的問題，因為我們不看寬這個區間的物體。（ Philip Ronan）

但光子並不是唯一的選擇；其它任何高能粒子都可以用來探索物質的大小，是不是立馬就想到了粒子加速器？量子力學的一個有趣規則是並不是只有光子表現的像波，所有的粒子都具有波的性質，包括複合粒子，比如質子，以及任何就目前所知不可分割的粒子（比如電子），這便是所謂的「波粒二象性」。所以，我們只要把一個探測粒子放進加速器，並加速粒子使其接近光速，以獲得更多的動量/能量。當粒子的能量足夠大時波長也相應的足夠小，此時將粒子撞擊一個靜止的靶心，並記錄下發生了什麼。從中我們就可以獲取許多信息。

電子雙縫實驗的干涉圖案。電子具有波的性質，因此可以用來繪製圖形或探索粒子的大小。（ Thierry Dugnolle）

通過這個技巧就可以得知：

原子並不是不可分割的，它們是由電子和原子核組成的，大小為1 ? ，或10?1?米。

原子核則可以繼續被分割成質子和中子，它們各自的大小為~1fm，或者10?1?米。

如果用高能粒子轟擊質子和中子內的粒子，即夸克和膠子，它們並不會顯示出任何內在結構，就像電子一樣。

對於每一個標準模型的粒子，我們都已經確定它們是否有著複合的本性，或者是與點狀不同的物理「大小」，它必須是小於10?1?米左右。

深度非彈性散射在測量原子、原子核以及單獨的質子和中子的大小上非常成功。用該方法發現了我們認為真正基本的粒子：夸克（標準模型中的粒子）。但它們是真正基本的嗎？它們真的是點狀的嗎？或者它們有確定的大小嗎？（ Fermilab）

曾經有一個時期科學家還不知道量子力學，但他們知道愛因斯坦的著名方程：E=mc2。如果你測量了一個電子的電荷，並知道了電子質量，你就可以推導出電子的大小，即經典電子半徑。這個半徑非常小，等於：

但我們知道這是錯的！這個結果其實比質子的大小還大，並且要比現在對它的最佳限制的大小要大出1000倍。換句話說，粒子都擁有量子本性，如果你能夠達到隨意高的能量，真正基本的粒子應該都是點狀的。

標準模型中的粒子和反粒子。（ E.Siegel）

所以，當我們提到基本粒子的大小時，我們談論的是對真正基本的追尋。標準模型中的粒子真的是不可在分割的嗎？如果是，我們應該能繼續往越來越高的能量探索，直到普朗克能量（在10?3?米的尺度），並且不會發現其它任何不同於點狀的行為。在這個過程中，我們或許會發現一些（或全部）粒子可以繼續被分割，或者它們真的是由弦或膜組成的。但就目前我們所知道的，粒子的真實大小都是非基本的。所有的東西都只是一個上限，對越來越小尺度的探索仍然在繼續。文來自頭條號：原理

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！