夸克（夸克浏览器官网入口）

欢迎阅读科学认识论的《通俗物理100课》系列，此系列旨在提高大众基础科学素养，共一百多篇文章，定期更新，涉及物理学各个方面，包括宇宙学，量子力学，相对论，弦论，以及各种前沿物理学知识。

【第五课：夸克是否是最小的物质？】

我想很多人第一次听说夸克，都是从高中物理课本上了解到的。

而且很多人认为，夸克是目前人类发现最小的物质结构，但一定不是最小的，肯定有比夸克更小的物质结构，只不过人类目前的观察能力还发现不了。

至于夸克内部是否还存在更小的粒子，目前还是未知的，在标准模型中，夸克已经被定义为基本粒子，也就是是夸克是目前为止构成物质的最小单位。

当然，基本粒子并不是说夸克就一定是最小的粒子，随着物理学的发展，基本粒子的定义也会不断变化。

仅从哲学的观点来看，夸克肯定还存在内部结构。

因为在哲学观中，构成宇宙万物的材料要么是无限可分的，要么存在一个不可分割的基础物质。而基础物质肯定是单一的，且没有区别的，所有性质完全相同。

就目前来看，夸克包括其反物质在内，一共有12种类型，它们之间的质量，电荷还并不相同。所以具有哲学信仰的物理学家一般都认为夸克是可以再分的。

但是哲学归哲学，事实归事实。哲学虽然能指导思想，但不能左右事实。

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。

为什么夸克撞不开呢？

因为夸克不能单独存在，更何谈撞开单独的夸克。

夸克一般都是三个组成一个整体，形成质子或者中子。夸克之间的作用依靠的是强力，胶子是负责强力传递的粒子。胶子一直在夸克之间游荡，负责将夸克拉拢在一起。

强力的性质和电磁力和引力完全相反。

我们知道，电磁力和引力的大小与距离的平方呈反比，距离越远，力的大小越小。

而夸克之间的强力却是反其道而行之。

夸克之间的距离稍微拉远一点，强力的大小就呈几何倍增加，这就是夸克禁闭。

所以这时候要再想拉开夸克，就需要比几何倍更多的能量投入。

这主要是因为胶子连接的夸克会形成强力，且具有夸克禁闭效应。

所以胶子难以脱离夸克。但这并不是说胶子不会脱离夸克，只要能量足够大，胶子依旧可以摆脱夸克。

而胶子一旦脱离夸克，其释放的能量就会形成正—反夸克对，新形成的正—反夸克对就是介子，其实介子就是游离与质子和中子之间的残余强力，也就是我们熟知的核力。核力负责维持原子核的稳定。

质子带正电，如果没有核力，质子之间在电磁力的作用下就会相互排斥，正是由于核力强于电磁力，所以质子才能聚合在一起形成稳定的原子核。

如今很多科学家已经对撞开夸克不抱希望了，因为夸克如今已经被标准模型列入到基本粒子中了。

基本粒子的概念就是不可以再细分的粒子了，是最小的物质了。物质不断细分，到这里也就结束了。

但是很多科学家并不相信这一点。毕竟夸克不可再分只是如今标准模型的妥协而已。

而如今的标准模型并不完善，还有很多漏洞。

在理论上，科学家已经推断出：物质理论上的最小尺度就是普朗克长度。

这并不是说普朗克长度之下并不存在，而是普朗克长度之下发生的任何物理现象都不会影响到现实世界。

也就是说世界被分成普朗克之上的物理世界和普朗克长度之下的世界。两个世界的物理规律不发生任何作用。普朗克长度之下或许没有引力，弱力和电磁力。

按照普朗克长度的描述，我们的现实世界最小尺度就是一个普朗克长度，所以我们有理由相信，或许存在着一个刚好是一个普朗克长度的物质，这一物质才是物质的最小尺度。由它才构成了世界万物的各种粒子，然后再构成原子，原子又构成了宏观世界。

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。

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