量子力学：最小物质是夸克！它为什么是最小的粒子，不能再小了？

任何人都思考过这样的问题，物质到底能不能一直细分下去。如果物质不能细分，那最小的物质到底是什么？

按照目前的物理理论，物质细分的最小程度就是夸克，到夸克就终结了，就不能再细分了。耐心看完文章你一定就明白了其中的道理。

在20世纪之前，人类还没有发明电子显微镜，虽然那时候已经知道原子的存在，但是在认知上基本上还处于空白，对物质的认知基本停留在分子级别上。

19世纪末20世纪初，科学家发现了比分子尺度更小的物质结构，那就是原子。

但是原子到底长什么样，没有显微镜可以直接看清楚，物理学家只能通过相关现象推测可能的原子结构。

道尔顿

1803年，道尔顿最早提出现代原子模型，认为原子就是物质世界最小的粒子，是个不可再细分的实心球体，世界万物都是基于这个最小的实体球的不同形式的排列组合才形成的。

当然，这种思想继承了古哲学家德谟克利特的原子论，是依靠主观臆断得出的结论。

到了1890年，人类已经发明出了阴极射线管，通过照射硫化锌可以观察到一股绿色荧光。其实这些绿光就是磁场控制带负电荷粒子流的运动产生的效果。

正是由于阴极射线管的作用，物理学家才发现原子可以是带电荷的。

但是有时候原子呈电中性，有时候呈电性。所以科学家推断：电子绝对不是实心球，其内部镶嵌着电子。

原子呈电中性就证明原子内部还有带正电的物质抵消了电子的电荷。

而原子呈电性就表明原子内部的正负电荷比例失衡，要么内部正电荷多一点才导致原子整体呈正电，反之亦然。

既然那时候科学家已经知道原子是由电子和内部带正电的物质构成。那么就要思考这些电荷到底是怎么分布的，于是掀起了各种预测原子模型的浪潮！

比如，汤姆孙的“葡萄干面包”模型，认为原子内部的正负电荷就像葡萄干面包一样均匀地分布在原子内。

后来卢瑟福通过大量的α粒子散射实验得出结论，认为原子内部有个原子核，这个原子核呈正电，原子核外有一群带负电的电子绕起运动，就和行星绕恒星运动一样，遵守圆周运动的规则。

事实上，物理学对原子内部的认知发展到卢瑟福时期，依旧还停留在经典力学上。

但是很快科学家就发现，按照麦克斯韦的电磁理论，绕原子核运动的电子会发出电磁波，这是一种能量的损失，减少能量的电子按照行星绕恒星运动的逻辑推理，必然会落到原子核上，这种过程在宇宙诞生的初期就会发生，后来宇宙中的所有原子核外就不可能还有一群电子在做圆周运动。

所以现在需要新的原子模型解释这种现象。这时候猛男波尔横空降临。波尔才是真正将原子模型量子化的物理学家，从此原子模型就变得异常难以理解。

那时候，普朗克的能量量子化以及爱因斯坦的光电效应已经被认可。

1913年，波尔根据氢原子光谱提出来电子的能级模型，认为电子在原子核外处于不同的能级，能级不是类似行星轨道的概念。因为行星轨道的改变有个转移的过程，是连续的。

而能级之间的切换是跃迁的，一步到位，中间没有过渡，电子吸收一份能量后，可以直接从低能级跃迁高能级，这个“一份能量”就是不可再细化的能量值，另一个学术名称就叫能量量子化。

原子模型发展到波尔时期又出现了新的疑问。

既然万物由原子构成，原子又由原子核和电子构成。那么电子和原子核又由什么构成呢？

电子很早就被发现了，研究电子的内部结构一直在进行，直到波尔模型提出之后，科学家才发现既然电子吸收能量是量子化的，那么电子不应该有内部结构。

因为电子一旦存在内部结构，那么吸收和释放的能量就不可能完全和光谱对应上，因为电子的内部结构可能会“侵吞”部分能量，导致光谱和电子的跃迁时的能量变化值无法满足线性关系。

所以物理学家从那时开始基本上就认定电子是最小的一种粒子了，已经不指望研究电子的内部结构了。

虽然卢瑟福最早发现了原子核，但是那时候他还不知道原子核的内部结构。

同时，卢瑟福的散射实验已经说明，原子核比电子重得多，原子核大概率是有更小的内部结构的。

当时已经知道原子核带正电，如果原子核有内部结构，这个正电荷应该是由原子核内部的物质所赋予的。

如今我们已经知道原子核由质子和中子构成。质子带正电，中子不带电。

由于中子不带电，当时很难被观察到。所以一度让人误以为原子核就是质子。

事实上，质子很早就发现了，在卢瑟福的散射实验中，卢瑟福就把原子核叫质子，当时认为原子核就是质子，所以研究原子核的内部结构，在当时看来就是研究质子的内部结构。

卢瑟福明白：倘若原子核只有质子的话，就会出现原子质量不守恒的情况。

当时卢瑟福已经预测到原子核内应该还有一些不带电荷的电中性物质承担了部分的原子质量。但是没有更多的实验验证这种物质的存在。

直到1932年，科学家利用硼-10轰击氮-13时才发现了原子核中还有一种不带电荷的粒子，这种粒子正是中子。

这时候物理学才知道原子核由质子和中子构成。

当然，新的疑问立马就出现了，质子和中子有内部结构吗，它们又是由什么构成的？

接下来就该夸克登场了，现在我们知道夸克有“色荷”的性质，所以研究夸克之间的作用也叫量子色动力学。

由于夸克的发现十分晚，所以量子色动力学直到上个世纪60年代中期才有所建树。

夸克的发现过程十分复杂，如果没有深厚的专业物理知识，你可能看都看不懂。

我接下来会专门写一篇介绍夸克发现过程的文章。

这篇文章只是简单还原一下夸克发现的思路

当时的物理学家虽然发现了质子和中子，但是发现它们并不是特别稳定，偶尔也会相互切换，也就是质子在某种情况下会变成中子，中子会变成质子。

本着朴素的哲学观念，物理学家认为：如果一个事物并不稳定，并且会改变自己的状态，那么这种改变一定是由内部的因素决定的。

一个不可再细分的物质是稳定的，是不变的，如果它可以改变，那么就证明它必然存在内部更小的结构在发挥着作用。

最早从理论上预测夸克存在的是盖尔曼和茨威格，并于1964年提出的相应的夸克模型。

直到1968 年，在斯坦福线性加速中心进行的深度非弹性散射实验中才发现质子内部还有更小的点状物，所以质子有内部结构是确定的事实，这些点状物就是夸克。

那夸克有没有内部结构呢？

现代物理学的观点是：没有！

因为夸克已经是最小的物质了，属于基本粒子。

在标准模型中，基本粒子就是最小的粒子，不可以再细分了，所以物质细分到夸克就到头了。或者严格一点说，就人类目前的物理框架，夸克内部结构是未知的，或者是未证实的弦！

可能很多人都难以相信，物质难道细分到夸克就到头了吗？

不管是在感性还是理性上，都难以让人接受。

为什么物理学家认为夸克不可再细分了？

因为这和四大基本作用力有关系，之所以叫基本力，是因为这些力是宇宙中最基础的相互作用。

所有宏观世界的力学现象一旦追溯第一因果，最后会发现都是由这些基本力造成的，如果基本作用力还有更深层的机制，那也就不叫基本力了。

比如摩擦力，弹力的本质是电磁力，摩擦力和弹力只是电磁力的宏观体现。摩擦力之所以不是基本力，是因为它的作用还有更深层的原因，那就是电磁力。

地球绕太阳的向心力也不是基本力，因为它只是引力的表现。

所以基本力的传递必然是由基本粒子承担的。如果基本力的传播子不是基本粒子，而是复合粒子，那复合粒子内部又是什么力在起作用，所以这些所谓的基本力就不会是基本力了。

如今我们已经知道，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，它们也是基本粒子。

强力的传播子是胶子，它依旧是基本粒子。引力的传播子是引力子，虽然引力子还没有发现，但是科学家笃信引力子也是基本粒子，并且在标准模型中已经给引力子预留了位置。

但是这些和夸克能不能再细分有什么关系？

当然有关系，不可细分就证明夸克是基本粒子。

因为电子可以辐射光子，并且是最原始的诞生渠道之一。

光子是基本粒子，就证明电子一定也是基本粒子，因为电子如果不是基本粒子，那么辐射光子必然是由电子内部引起的，那么电子就不是光子最原始的辐射渠道，目前没有任何证据证明电子具有内部结构。

理论上，基本力的传播子的生成也应该是同级别的粒子造成的。

基本粒子之间的作用是同级别的，如果不是同级别，基本粒子应该是和复合粒子的内部结构作用才对，而不应该和复合粒子作用。

我们这时候再看看弱力和强力。

科学家发现弱力和强力的发生在夸克级别上，夸克的味变引发了弱力，夸克之间的禁闭是强力导致的。

所以弱力和强力这两种基本力都是在夸克级别起作用的，所以我们有理由相信夸克就是基本粒子，其不可再细分了。

在文章的结尾，我不得不强调：目前所有推测都是建立在现有的物理框架中。

如果未来发现夸克具有更小的物质成分，那将彻底摧毁整个标准模型。并且可能会导致弱力和强力从基本力中剔除。

这样一来，标准模型中的基本粒子将会彻底改写。

其实我倒希望如此，如果科学都是按照人类简而美的观念来发展，那么物理学在牛顿时代就已经终结了。就不会有如今的量子力学和相对论了，我们自然也不能享受到这些理论带来的科技成果。