宇宙中最小的粒子是什么?
众所周知,宇宙浩瀚无边,但它是由小碎片组成的。元素周期表包括氧、碳和其他元素,这些元素了构成了星系、恒星和各种生命。 但自 20 世纪之交以来,科学家们一直在思考并寻找越来越小的基本粒子——比充满宇宙的原子还要小的粒子。那么这些基本粒子中哪个最小呢? 相反, 最大的呢?
芝加哥附近的费米国家加速器实验室 (Fermilab) 的资深科学家唐·林肯(Don Lincoln )是试图回答这个问题的科学家之一。在费米实验室,科学家们使用粒子加速器将单个粒子粉碎,然后观察产生的碎片——或者可能是新的基本粒子。 林肯说有两种方法可以测量粒子的大小:研究它们的质量和测量它们的物理大小,比如计算球的直径。
就质量而言,这些问题比较容易回答。林肯说,我们所知道的最低的非零质量粒子是中微子。然而,他指出,我们无法准确测量中微子的质量,因为用于计算基本粒子质量的仪器不够灵敏。
林肯说:“中微子是一种粒子,有点像亚原子世界的幽灵。”中微子与物质的相互作用非常微弱,是仅次于光子(其行为更像波而不是实际粒子)的第二大粒子。事实上,就在这一秒,有数以万亿计的中微子从您身体穿过。中微子几乎没有任何重量,并且以接近光速的速度运动。
原子核由中子、质子和电子组成。林肯说,质子和中子的质量占大约是整个原子核质量的十分之一。电子的质量接近于零,但它实际上比中微子重500,000 倍(同样,无法对它进行精确测量)。
林肯说,物理学家使用电子伏特 (eV) 来测量亚原子粒子的质量。技术上,单位是eV/c^2,其中c是光速。1电子伏特相当于大约 1.6x10^-19焦耳。要计算亚原子粒子的质量,您将使用阿尔伯特·爱因斯坦著名的方程 E=mc^2 来获得质量 (m)公斤。
根据林肯的说法,一个电子的重量为511,000电子伏特,相当于9.11 x 10^-31 公斤。他说,相比之下,典型原子核中的质子重9.38亿电子伏特,或1.67 × 10^-27 公斤。
:相反,根据林肯的说法,我们所知道的最大(就质量而言)基本粒子是一种称为顶夸克的粒子,其测量值高达1725亿电子伏特。夸克是另一种基本粒子,据我们所知,它不能分解成更多的部分。科学家们已经发现了六种类型的夸克:上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。上下夸克构成质子和中子,它们的重量分别为300万和500万电子伏特。相比之下,顶夸克的重量是上夸克的57,500倍。
物理尺寸的问题更难回答。我们知道一些粒子的物理尺寸,但不知道最小的粒子。人们在日常生活中听到的一些“微小”颗粒,例如病毒颗粒,实际上相当大了。
林肯提供了这种尺度感:典型的病毒粒子长约250到400 纳米(一纳米是十亿分之一米,或 10^-9 米),典型的原子核长约10^-14米(0.00000000000001 米)。 这意味着原子核对病毒来说就像病毒对我们一样小。
目前,科学家可以使用粒子加速器测量的最小物理尺寸比质子小2,000 倍,即 5 x 10^-20m。到目前为止,科学家们已经能够确定夸克比它小,但不能确定夸克比它小多少。 |