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自然最深处是什么样子的？世界上最小的单元是什么？

2021-08-07 13:12

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

当我们小时候，在悠闲的假日里，躺在草地上看着天上变幻的白云，或是在凉爽的夜晚，看那条银河划过星空，我们心里一定会充满了对宇宙的神往和对世界的好奇。

此时，如果我们坐起身，低头看身边的小草、小花，以及温暖的土地，心中肯定也会涌起这个念头：如果我能想孙悟空那样变得很小很小，看到的世界会是什么样子？那样世界会在我们身边放大，我们会看到小草如大树一样高，看清它上面的每一个脉络。

如果我们变得更小，那应该会看到细胞吧。如果再小呢，据说会看到分子。我们会这样无限缩小下去，然后世界无限放大，呈现出无穷无尽的细节吗？

这一切有没有尽头？是不是到了某一个层次，就再也没有更小的地方可以去了？那最小最小的东西又是什么呢？

这个问题，在历史上吸引了无数科学家为之流连忘返，包括很多彪炳史册的大师，他们建立了深邃迷人的科学理论。

很久以前，德谟克利特和惠子等中外先贤就通过纯粹的哲学思考，产生过自然界存在最小单元的思想。当然，这些思想还有空想的意味，并不能说是科学。

当时间之船行到19世纪初的时候，英国人道尔顿终于提出了科学的原子学说。他认为原子是世界的最小结构，没有比原子更小的东西存在。道尔顿的学说奠定了原子物理学和现代化学的基础，也打开了微观世界的大门。

但是，原子真的是最小单元吗？历史证明，人类并未止步于此。随着英国物理学家汤姆孙在19世纪末发现了电子，粒子物理走上了舞台。

原子中既然有带负电的电子，那么中性的原子中肯定也有正电荷存在。汤姆孙设想了类似葡萄干布丁一样的原子模型，认为带负电荷的电子如葡萄干一样嵌在正电荷组成的“布丁”上。

后来与牛顿一起长眠于威斯敏斯特教堂的卢瑟福登场了。他通过阿尔法粒子的散射实验，发现原子中存在带正电的原子核。

既然有带正电的原子核，还有带负电的电子，那么根据经典的电磁学理论，质量远远大于电子的原子核，就应该如太阳吸引行星一样，使得电子绕核做轨道运动，这个直观的看法就是卢瑟福的原子行星模型。

但是，根据经典电磁理论，此时电子将不断辐射出能量，随之轨道越降越低，最后坠落于原子核上。也就是说，稳定的原子是不可能存在的。

这时，又一个旗帜性的人物出现了，他就是玻尔。玻尔建立了量子论的原子模型，认为电子的运动与行星截然不同，不但不会坠落，而且只能在几个具有确定能量的轨道上运动，这些轨道的能量不能连续变化，是一个一个分开的。

玻尔的原子模型不但解决了原子不稳定问题，而且引发了量子力学的诞生，他自己也成为量子力学界的领军人物。

原子核还有内部吗？很快，伟大的实验物理学家卢瑟福，又发现了原子核中有带正电的质子。当查德威克在20世纪30年代发现中子之时，原子的结构彻底厘清。带正电荷的质子和不带电的中子结合成带正电荷的原子核，核外有带负电荷的电子，一起构成了中性的原子。

人们对自然界的探索是无休无止的。这一历史过于充实和精彩，我们无法在这一篇短文中详尽描述。总之，质子和中子也被证实是有内部结构的，他们都是由一种称为夸克的基本粒子组成的。

夸克有一个叫“夸克禁闭”的神秘性质，不能单个出现，只能几个夸克一起抱团取暖。夸克不但组成质子和中子，还能组成几百种称为介子或重子的粒子，如此丰富多彩的粒子世界，奇妙而美丽。

现在，粒子物理有一个叫作标准模型的理论，是当前人类对微观世界认识的最前沿。按照标准模型，构成我们世界的最小单元，是61种基本粒子。它们被认为是点粒子，不再有内部、大小等概念。

这61种基本粒子，包含了率先被发现的电子（它顽强地守住了基本粒子的身份）、前面说的夸克，以及其他一些传递相互作用的粒子。还有那个已经被公众熟知，近些年才被发现、赋予基本粒子以质量的希格斯玻色子。

基本粒子中，有一群被称为幽灵粒子的诡异成员，就是中微子。中微子非常不合群，与其他粒子都很少互动。一束中微子穿过地球，能与物质发生相互作用而被观察到的也少得可怜。

所以探测中微子的都是宏伟的工程。中微子很轻，一度被认为和光子一样没有质量，但是，人们却通过一些观测看到了它们有质量的迹象。

这一类观测都涉及一个叫中微子振荡的名词。听着很抽象，但可以直观地理解成，有三种中微子，它们在传播中会变换身份，甲变成乙，乙变成丙，丙又变成甲，然后来回互变。

这种换装游戏，和它们的质量有很大关系，可以说，如果他们没有质量，就不会发生振荡。对于中微子振荡的实验验证，是当前粒子物理学很重要的方向。

特别值得一说的是，我国科学家在中微子振荡研究方面，为粒子物理学做出了很大贡献。大亚湾中微子实验精确测出了中微子振荡的一个参数，这一成果在世界范围内产生了深远影响，并获得了国家自然科学一等奖。

世界循环相扣。最微小的基本粒子，在对最广袤的宇宙的研究中，也发挥着巨大的作用。暗物质和暗能量这两个名词，即便是普通人也耳熟能详，因为它们不断出现在电影里、小说里和电子游戏中。这些暗影中的宇宙的真正主宰，到底是什么呢？目前还是个谜。

但毫无疑问，谜底的揭开，一定与基本粒子有莫大关系。前面说的中微子，就被很多人认为是暗物质中的一部分。

今天，包含夸克、电子、中微子等的基本粒子，没有任何有内部结构的迹象。即便是暗物质和暗能量的研究，也丝毫没有使人们觉得有赋予这些粒子以内部结构的必要。也就是说，目前的科学理论，认为我们已经走到了微观的尽头。