问题

物质会不会无限小呢?夸克也会有内部结构,然后这个内部结构依旧有更小的内部结构,无限细分?

回答
这个问题触及了我们对于物质最根本的认知边界,也曾是哲学家们争论不休的课题。我们习惯了将事物分解,试图找到构成世界的基石,但物质的“无限小”是否是一个永无止境的追寻,这确实让人着迷,也留下了不少未解之谜。

从宏观到微观的探索:

自古以来,人类就对物质的本质感到好奇。早期的哲学家,比如古希腊的留基伯和德谟克利特,就提出了“原子论”,认为物质是由不可分割的微小粒子组成的。他们想象中的原子是极小的、坚硬的、并且永恒存在的,一旦被创造就无法再被分割。这是一个伟大的思想实验,因为它预示了我们后来在科学上的发现。

随着科学技术的发展,尤其是牛顿力学和经典电磁学确立后,我们对物质的理解进入了一个新的阶段。我们发现原子并非不可分割,而是由更小的粒子组成的,比如电子、质子和中子。质子和中子又被发现是由夸克组成的。夸克,在我们的现代粒子物理学标准模型中,是构成质子和中子等重子的基本粒子,它们似乎是我们目前所能触及的最基本的物质单位。

夸克的内部结构:一个悬而未决的问题

你提到的“夸克也会有内部结构”,这是一个非常尖锐且重要的问题。按照我们目前最成功的物理理论——标准模型——的描述,夸克(以及电子等其他基本粒子)被认为是“点粒子”。这意味着它们没有内部结构,没有大小,没有体积,它们只是纯粹的物理量和相互作用。你可以想象它们就像数学上的点一样,只是一个位置,没有扩展。

然而,科学的进步往往伴随着对现有理论的挑战和修正。虽然标准模型非常成功地描述了我们观察到的粒子现象,但它并非完美无缺。科学家们一直在寻找可能突破标准模型的新物理,而寻找基本粒子是否真的没有内部结构,就是其中的一个重要方向。

如果夸克有内部结构,会发生什么?

如果夸克真的有内部结构,那么我们当前对物质基本组成的理解就需要被颠覆。这可能会引发以下几种可能性:

更小的基本粒子: 就像当年原子被证明可以分割一样,夸克也可能由更小的、更基本的粒子组成。这些粒子又是什么呢?它们是否仍然可以继续被分割?这个追问可能会一直延续下去,直到我们遇到一个真正的“终极粒子”,或者发现分割本身是有极限的。
一种新的物理描述: 也许物质的终极本质不是由更小的“点”组成的,而是某种我们尚未理解的场或者结构。例如,一些超弦理论就提出,基本粒子并非点粒子,而是极其微小的、振动的弦。不同的振动模式对应了不同的粒子。在这种理论下,我们看到的夸克和电子,实际上是这些基本弦的不同振动状态。但这些弦本身,是否还有更小的结构,或者它们就是最基本的吗?这同样是一个等待解答的问题。
量子涨落与结构: 在量子力学的世界里,粒子并非总是稳定的,它们会经历所谓的“量子涨落”。这使得粒子即使在没有内部结构的情况下,也可能在极短的时间内“涌现”出一些临时的、虚粒子对。但这与我们通常理解的“结构”是不同的概念。如果夸克内部存在一种更加本质的、稳定的结构,那将是完全不同的景象。

为什么我们目前认为夸克没有内部结构?

这主要是基于我们进行的各种实验。例如,高能粒子对撞机(如大型强子对撞机LHC)通过将粒子加速到极高的能量并让它们相互碰撞,来探测粒子的内部结构。如果粒子有内部结构,就像一个物体被粉碎成更小的碎片一样,碰撞的结果会显示出这些碎片的存在和特性。

迄今为止,所有实验结果都与夸克是点粒子(在实验精度范围内)的描述相符。这意味着,如果夸克有内部结构,那么这个结构必须比我们目前能探测到的尺度还要小得多,小到我们的探测能力还不足以分辨出来。我们通常用“最小探测尺度”来衡量这种能力,而这个尺度正在不断被实验刷新。

“无限细分”的可能性:一个哲学与物理的交汇点

从纯粹的哲学角度来看,“无限细分”的可能性是存在的。我们可以想象任何一个物体,无论是物质还是空间,都可以被无限地分割下去,永远找不到一个“最小的单元”。这是一种数学上的概念,就像数轴上任意两个数之间都存在着无数个其他数一样。

然而,在物理世界里,“无限细分”是否能够持续下去,则是一个高度依赖于我们对现实本质的理解的问题。

普朗克尺度: 在物理学中,有一个概念叫做“普朗克尺度”(Planck scale)。它包括普朗克长度(约1.6 x 10^35 米)和普朗克时间(约5.4 x 10^44 秒)。普朗克长度被认为是目前理论上能够描述量子引力效应的最小长度单位。在普朗克尺度之下,我们现有的物理定律(如广义相对论和量子力学)可能会失效,需要一个更完备的理论(如量子引力理论)来描述。一些物理学家猜测,在普朗克尺度之下,空间本身可能不再连续,而是由离散的“块”组成的,所谓的“长度”的概念也可能失去意义。这意味着,物理意义上的“细分”可能在这个尺度上就戛然而止,无法无限进行下去。

目前的科学图景:一个渐进式的探索

总而言之,我们目前最成功的粒子物理标准模型将夸克和电子等视为基本粒子,它们没有内部结构。但科学探索的本质就是不断挑战和超越现有的认知边界。

实验的局限性: 我们的确还没有发现夸克有内部结构的证据,但这并不意味着它们一定没有。这仅仅意味着,如果它们有,那么这个结构一定比我们目前的探测能力所能分辨的尺度还要小得多。科学家们会持续不断地提高实验精度,试图找到新的线索。
理论的指引: 理论物理学家们也在不断尝试构建更深层次的理论,比如弦理论、圈量子引力等,来解释我们尚未理解的现象,包括基本粒子的本质。这些理论可能会为我们提供新的视角,让我们看到物质的构成方式可能与我们直观的“碎片化”思维大相径庭。

因此,物质是否会无限小,仍然是一个开放性的问题。我们有理由相信,我们对物质的认识会随着科学的进步而不断深化。也许有一天,我们会发现一个真正意义上的“终极粒子”,或者理解到物质的本源并非由更小的“部分”构成,而是某种我们尚未想象到的、更基本的存在形式。但直到那时,探索的脚步不会停止,人类对物质世界的追问,就像对宇宙的追问一样,会一直进行下去。

网友意见

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2021.5.21更新,这个回答看的人挺多,我多写一点,以下是扩充之后的回答。


一、为什么当初认为质子中子有内部结构?

答:当初人们考虑质子中子有内部结构,是因为实验测出的这俩粒子的磁矩和理论预言大相径庭,只有考虑它们有内部结构才能解释这种反常。

我们都知道粒子具有质量、电荷、自旋等基本属性,磁矩作为一个衍生的属性与这三个基本属性有关。这里补充一些关于自旋的知识,自旋是粒子具有的一种内禀角动量,它的取值是量子化的,只能是0, 1/2, 1, 3/2……自旋为整数的粒子与自旋为半整数的粒子满足的统计规律是不同的,前者满足所谓的玻色统计而后者满足所谓的费米统计,因此人们把自旋为整数的粒子称为玻色子,把自旋为半整数的粒子称为费米子。质子和中子的自旋是1/2,属于费米子。1928年,狄拉克提出了第一个关于费米子的量子理论,也就是以他的名字命名的狄拉克方程[1]。狄拉克的理论可以计算费米子的磁矩: ,其中e是电荷,m是粒子质量,s是粒子自旋,g是一个待定系数,通常被称为g因子。狄拉克的理论预言:没有内部结构的费米子的g因子应该是g=2,严格等于2。后来,狄拉克的理论被发展为了量子场论,在量子场论的计算中费米子的g因子被赋予了一个很小的修正(大约千分之一),有g=2.0023...,这就是对无内部结构费米子的磁矩的最终理论预言。

那么实验测量的质子中子的磁矩,或者说g因子,是多少呢?对于质子,测量值是g≈5.586,与理论预言大相径庭。对于中子,由于它不带电荷,根据理论应当没有磁矩,但却也测出了一个不为零的值。这是怎么回事呢,是理论不对吗?恐怕不是,同时期对电子(也是费米子)磁矩的测量值就和理论预言完美符合。因此,只有一种可能性,那就是质子中子根本不是基本粒子,它们有内部结构,所以没法用计算无内部结构费米子磁矩的方法来算出它们正确的磁矩。

后来的事情大家都知道了,60年代盖尔曼提出了SU(3)夸克模型,认为质子中子内部是由三个更基本的夸克作为组分,然后没过几年斯坦福的SLAC加速器就通过深度非弹性散射实验发现了质子内部确实有更小的组分。盖尔曼本人和SLAC实验的主要负责人因为相关的工作分别获得了1969年和1990年的诺贝尔物理学奖[2]

二、为什么现在认为大多数基本粒子没有内部结构?

答:因为没有任何实验证据表明现在标准模型中的基本粒子还有内部结构

轻子方面,电子和μ子的磁矩的测量值在整体上和量子场论的计算符合得非常好,所以它们有内部结构的可能性微乎其微。虽然最近费米实验室的muon g-2实验[3]显示μ子磁矩的测量值可能在小数点后几位和理论不一样,但这不是内部结构造成的。中微子的话质量那么小,更不可能有内部结构,因为尺度越小能标越高,如果中微子存在内部相互作用的话,会赋予它非常大的质量(比如,组成质子/中子的夸克的质量只有几个MeV,但整个质子/中子的质量却高达938MeV)。

夸克的话,虽然没法测单个夸克的磁矩,但从自旋的角度看它们也不会有内部结构。我举个例子,如果自旋1/2的夸克是更小的三个自旋1/2的粒子合成的基态,那么根据角动量耦合规则,必然存在自旋3/2的夸克,这会造成粒子物理实验中发现大量无法解释的强子态,而现在的实验没发现多少多余的强子态,所以夸克不可能有内部结构(其实自旋耦合这一条就可以限制目前发现的所有费米子没内部结构)。

规范玻色子的话,质量或自旋耦合等因素也限制它们没有内部结构。标准模型中唯一可能有内部结构的就是希格斯粒子,接下来说原因。

三、为什么认为希格斯粒子可能有内部结构?

粒子物理的标准模型在希格斯粒子方面是有很大问题的,这个问题被称为“规范等级问题”,我在这篇文章里有说过:

大体意思就是说,标准模型中计算希格斯粒子的质量必须由许多个很大的修正项相互加减才能得到。一个有意思的比喻就是:老板给你发工资,工资条上写着你这个月有好几笔大约一亿亿亿亿元的奖金,还有好几笔大约一亿亿亿亿元的罚金,最后这几个天文数字相抵消,算出你拿到手的工资只有125块钱。这时你肯定会觉得老板的脑袋有问题……在粒子物理中,标准模型就是这个老板,希格斯粒子的质量就是你的工资,这就是我们认为标准模型有问题的原因。

解决规范等级问题有好几种方案,一种是引入所谓的“超对称”,这是一种很漂亮且很自然的解决方案,但这里我们不提它。我们要说的是另一种解决方案——复合希格斯模型。这一理论认为在TeV能标附近存在新的相互作用,且存在某些未知的费米子参与这种相互作用,而希格斯粒子被认为是由这些费米子组成的束缚态,就像正反夸克组成标量介子一样。在高能的情况下,希格斯粒子内部的费米子自由度就会显现出来从而屏蔽更高能标的物理对希格斯粒子质量的量子修正,使得希格斯粒子的质量不必作为许多天文数字相抵消才能得到的结果。

这就是认为希格斯粒子可能有内部结构的原因。这种理论虽然还没被实验验证,但它的能标就在TeV附近,可以被下一代粒子对撞机检验。说句题外话,之前看到很多人问,为什么LHC已经发现了希格斯粒子,高能所还要再建CEPC来研究希格斯粒子。就是因为标准模型在希格斯粒子方面是有问题的,需要更多更精确的关于希格斯粒子的实验数据来帮助人们修改标准模型,从而获得对微观世界以及极早期宇宙的更深入的认识。

参考

  1. ^自旋和狄拉克方程相关的内容可以参考这篇文章。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/170992644
  2. ^核子结构相关的历史可以参考这篇文章。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/206587509
  3. ^muon g-2实验的介绍可以参考这篇回答。 https://www.zhihu.com/question/453465762/answer/1823188151

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