物質是否可無限分割，物質的最小組分是什麼？

1995年2月28日，美探測到宇宙最基本構成材料之一的基本粒子「項夸克」。現在，就來看看物質是不是無限可分！

千百年來，人類一直在探索這樣的問題：我們周圍的物質，從天上的星球到海邊的沙粒，究竟是由什麼組成的？如果我們將物質不斷地往小里分，將會出現什麼情況？它們是無限可分，還是存在最小組分？若是後者，物質的最小組分又是什麼？

質子的夸克結構

遠古時期，不同派別的哲學家對這個問題作出了不同的回答。古希臘哲學家德謨克利特認為，物質是由許多微小的、不可分割的單個顆粒組成的，他把這種顆粒稱為「原子」，並認為這些「原子」是永恆的、不變的和不可穿透的；物質的多樣性是因為原子的形式、狀態或結合方式不同造成的。另一位古希臘哲學家柏拉圖卻認為，把物質一次又一次地往小里分，最終遇到的將是數學形式——「正多面體」。這些「正多面體」本身不是物質，但是它們構成物質。這兩種觀念：一是說物質由實體顆粒——「原子」組成，具有不連續結構；一是說物質由數學形式——「正多面體」組成，具有連續結構，兩者形成了鮮明的對比。但是，在2000多年後，卻都得到了科學的驗證。1808年，英國科學家道爾頓根據他所發現的倍比定律提出了原子論的科學假說，成功地解釋了許多化學現象。以常見的水的分子為例，它就是由兩個氫原子和一個氧原子組成的。但是，物質的晶體結構又確實是由 「正多面體」組成的，這似乎又證實了柏拉圖的預言，只不過後來實驗發現這些「正多面體」也是由道爾頓的「原子」構成的。那麼，這些原子是否「永恆不變」、「不可分割」呢？在道爾頓提出原子的科學假說之後，這個問題仍困擾科學家近百年，直到19世紀末， X射線、天然放射性和電子的先後發現才使人們認識到，原子也不是物質的最小組分。

中子的發現者、英國物理學家查德威克

1911年，英國物理學家盧瑟福和他的兩名學生蓋格和馬斯登通過阿爾法粒子散射實驗發現原子的中心有一個帶正電的核。與原子相比，核很小，其直徑約為原子直徑的萬分之一，但幾乎集中了原子的全部質量。由於早在1897年湯姆孫就發現了電子，於是人們知道，原子是由電子和核組成的。1919年，盧瑟福用阿爾法粒子轟擊氮核，從中打出了氫核，從而證明氫核是所有原子核的基本組分，並將其命名為「質子」。這樣，氫原子便是由一個電子和一個質子組成的。由於電子帶有一個單位的負電荷，而氫原子是中性的，因此質子應該帶有一個單位的正電荷。類似地，氧原子的質量約為氫原子的16倍，也就是說，氧核的質量約為氫核的16倍，因此氧核里應該包含16個質子，可是化學家早就知道，氧原子里只有8個電子，氧核也只能帶有8個單位的正電荷，換句話說，氧核里應該只有8個質子，那麼氧核的另一半質量是從哪裡來的呢？1932年，英國物理學家查德威克用阿爾法粒子轟擊鈹核，從中打出了一個質量與質子相當的中性粒子，將其命名為「中子」。隨後，海森伯和伊凡寧柯分別指出，原子核是由質子和中子組成的，從而解決了上述難題。既然科學家已經從原子核里打出了質子和中子，證明了原子核也不是「不可分割的」，那麼，質子、中子和電子是否還能往小里分呢？

陰極射線管和電子在磁場中偏轉

第二次世界大戰之後，科學家陸續發現了數百種亞原子粒子：有性質與電子雷同但質量卻為其數百倍的μ子；有質量介於電子和質子之間的π介子和K介子；有與質子和中子一樣在強相互作用下保持穩定的Λ超子。於是，科學家試圖仿照元素周期表來為這數百種粒子分類：將既參與強相互作用又參與電磁和弱相互作用的質子、中子、π介子、K介子和Λ超子，以及比它們更重的粒子統稱為強子；將不參與強相互作用只參與電磁和弱相互作用的電子、繆子和後來發現的中微子和陶子統稱為輕子。1964年，蓋爾曼和茨韋格分別獨立地提出了夸克模型，認為所有強子都是由夸克構成的，例如，質子是由3個夸克組成的；π介子是由一對正、反夸克組成的。隨後不久，實驗物理學家便發現了夸克模型預言存在的Ω粒子，從而驗證了夸克模型。但是，理論認為，夸克被囚禁在強子內部，實驗根本無法觀察到單個夸克。事實也確實如此。強子的夸克結構也具有對稱性，即所謂SU（3）對稱性，正如柏拉圖所說的「數學形式」，它們正是通過SU（3）對稱性來構成質子、中子和π介子乃至所有物質的。於是，科學家和哲學家再次為康德悖論所困擾：一方面，人們可以將周圍的物質分割為分子、原子，將原子分割為原子核和電子，將原子核分割為質子、中子……似乎物質可以這樣永無止境地分割下去；另一方面，實驗上確實無法把夸克從強子中「分割」出來，又使人們不得不懷疑：物質是否無限可分？

英國物理學家盧瑟福發現質子的設備

從德謨克利特提出原子「不可分割」到三大實驗發現「打破」原子，經過了2000多年，就是從道爾頓提出原子的科學假說算起，也經過了近百年，而蓋爾曼和茨韋格提出夸克模型至今還不到50年，現在就說「敲不出夸克」「物質不再可分」，似乎為時尚早。到目前為止，實驗上用萬億電子伏量級的高能粒子能夠探測到的最小空間尺度為10?18米，在這種情況下，仍然未能發現夸克和輕子具有內部結構，而理論上預言的空間最小尺度為10?35米，也就是說，科學家即使能將夸克和輕子往小里分，也還會再經歷許多「階梯」。也許，在可以預見的未來，科學家對物質結構的認識仍將重複連續—不連續的循環，哲學家仍將為物質「可分」與「不可分」而爭論不休。

阿爾法粒子放射性揭示了原子內部結構的秘密

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