如果物質是由粒子組成的，那為什還有大小？

【博科園-科學科普】原子理論的一個重要思想是在最小的基本的層次上構成一切的物質就不能再分裂了。隨著逐漸縮小會發現分子是由原子組成，而原子由質子、中子和電子組成，質子和中子可以進一步分裂成夸克和膠子。然而即使夸克、膠子、電子和更像是真正的點狀，它們所構成的物質都有一個真實的、有限的尺寸，這是為什麼呢？

質子的結構及連同其伴隨的場，顯示了即使它是由點像夸克和膠子組成的，它有一個有限的尺寸，它來自於內部量子力的相互作用。圖片版權：Brookhaven National Laboratory

許多來源表明夸克是點粒子……因此人們會認為由它們組成的物體，在這個例子中，中子也會是點，有邏輯缺陷嗎？或者它們會以這樣的方式相互結合，從而導致產生的中子有角大小嗎？

讓我們進入「最小」的範圍，看看到底發生了什麼：

從宏觀尺度到亞原子粒子，基本粒子的大小在決定複合結構的尺寸方面只起很小的作用。圖片：Magdalena Kowalska / CERN / ISOLDE team

如果我們看一看物質，在宏觀世界裡物體的大小和分子的大小差不多：納米(10 -^ 9米)大小。在更小的尺度上控制單個粒子的量子規則開始變得重要起來。單個的原子，帶著電子繞著原子核旋轉，大約是10 - ^10米。原子核本身由質子和中子組成，比被發現的原子小10萬倍（10 - ^15米）。在每個質子或中子中夸克和膠子都存在。雖然分子、原子和原子核都有與之相關的大小，但它們的基本粒子夸克、膠子和電子——是真正的點狀。

標準模型的夸克、反夸克和膠子都有顏色電荷，除了質量和電荷等其他性質。所有這些粒子是真正的點狀。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy

我們判斷某事物是否為點的方式是簡單地將我們能在最高可能的能量中與之碰撞並尋找證據，證明裡面有一個複合結構。在量子世界裡粒子不僅僅是物理大小，它們也有與之相關的波長由它們的能量決定。更高的能量意味著更小的波長，這意味著我們可以探測更小更複雜的結構。x射線的能量足以探測原子的結構，x射線衍射和結晶學的圖像揭示了分子的樣子以及單個鍵的外觀。

蛋白質結構的電子密度圖，由x射線結晶學技術確定。圖片版權：Imperial College London

在更高的能量中可以得到更好的解析度。粒子加速器不僅可以將原子核分離開來，而且深層非彈性散射揭示了質子和中子的內部結構：夸克和膠子。有可能在某一時刻會發現一些我們目前認為是基本的粒子實際上是由更小的實體構成的。然而由於LHC的能量，我們知道如果夸克、膠子或電子不是根本，它們的結構必須小於10 - ^18到10 - ^19米就我們所知是真正的要點。

早期宇宙的夸克-膠子等離子體。儘管我們經常用夸克、膠子和電子作為三維球體來表示粒子，但做的最好的測量表明它們與點粒子是不可區分的。圖片版權：Brookhaven National Laboratory

那麼這些東西是如何比分數更大的呢？這是(上)三件事的相互作用：

1、力量

2、粒子的屬性

3、能量

我們知道的夸克不僅有電荷，而且(像膠子一樣)也有顏色的電荷。電荷可以是正的或負的，而電荷相斥，異性相吸時，由顏色電荷引起的力——強大的核力——總是吸引人就像彈簧一樣，信不信由你。

質子的內部結構有夸克，膠子和夸克自旋。核力就像彈簧當拉伸到很遠的距離時，它的力可以忽略不計。圖片版權：Brookhaven National Laboratory

當兩個顏色帶電的物體靠近時，它們之間的作用力就會下降到零，就像一個沒有拉伸的彈簧。當夸克合在一起時電力就會接管，這通常會導致相互排斥。但是當顏色帶電的物體相距很遠時，強力就會變得更強。就像伸展的彈簧它可以把夸克重新拉到一起。根據顏色電荷的大小和強力的強度，以及每夸克的電荷，這就是我們到達質子和中子的大小的方式:強和電磁力大致平衡的地方。

質子的三夸克是它的自旋，但膠子、海夸克和反夸克，以及軌道角動量也是如此。靜電斥力和有吸引力的強核力串聯起來是質子的大小。圖片：APS/Alan Stonebraker

在稍微大一點的尺度上，強大的力將質子和中子聚集在原子核中，克服單個質子之間的靜電斥力。這種核力是強核力的殘餘作用，它只在很短的距離內有效。因為單獨的質子和中子本身是不帶顏色的，所以交換是由虛擬不穩定的粒子所介導的，這些粒子被稱為介子，這解釋了為什麼超過一定尺寸的原子核變得不穩定；對於介子來說在更大的距離內進行交換太困難了。只有在中子星的情況下引力結合能量的增加抑制了原子核重新排列成更穩定結構的傾向。

單個的質子和中子可能是無色的實體，但它們之間仍有殘餘的強大力量。圖片版權：Wikimedia Commons user Manishearth

關鍵在於在原子本身的尺度上任何被束縛於原子核的電子的最低能量配置並不是一個零能態，而是相對於電子的靜止質量而言，它實際上是一個相對高能量的狀態。這個量子態意味著電子本身需要以極高的速度在原子內部進行壓縮；儘管原子核和電子是相反的電荷，但電子不會簡單地撞擊原子核並留在中心。相反電子存在於類似雲的結構中，圍繞著原子核(並通過它)繞著原子核旋轉(並通過它)這一距離幾乎是原子核本身大小的一百萬倍。

能級和電子波函數對應於氫原子內的不同狀態，儘管所有原子的構型非常相似。能量水平是普朗克常數的倍數，但是軌道和原子的大小是由基態能量和電子質量決定的。圖片：PoorLeno of Wikimedia Commons

有一些有趣的警告可以讓我們探索這些尺度在極端條件下的變化。在極其巨大的行星中由於強大的引力，原子本身開始被壓縮，這意味著你可以將更多的原子壓縮到一個小空間中。例如木星的質量是土星的三倍，但體積只有土星的20%。如果你用一個介子取代氫原子中的一個電子，一個不穩定的電子類粒子，它的電荷相同，但質量是2060倍，那麼這個原子的氫原子就只有普通氫原子的1 / 206。一個鈾原子實際上比單獨的質子和中子大得多如果你把它們放在一起，因為質子的靜電斥力的長程性質與強強的短程性質相比。

太陽系的行星顯示出它們物理尺寸的大小，顯示出一顆幾乎和木星一樣大的土星。然而木星的質量是3倍，這表明由於重力的壓力它的原子被大量壓縮了。圖片版權：NASA

通過不同的力量發揮不同的力量可以建立一個質子，中子或者其他的有限大小的強子，從點像夸克通過結合質子和中子可以建立比它們的單個組件更大的原子核結合在一起，通過將電子結合到原子核上可以建立一個更大的結構，所有這些都是因為一個電子與一個原子所束縛的0點能量遠大於零。為了得到一個充滿了有限空間和非零空間的結構的，除了零維宇宙不需要任何東西，像點樣的積木。力、能量以及粒子本身固有的量子特性就足以。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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