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科学家勘探微观粒子的技能是什么?人类已知的基本粒子还能割裂么

admin 2019-10-28 164人围观 ,发现0个评论

你一定想知道你周围的物体是在什么基础上构成的。 你可以通过将它分成更小的块,然后将一块块分成更小的块来解决问题,依此类推,直到你再也不能分割它为止。当你达到分割极限时,这将是你能够达到的“基本”的最佳近似值。

在19世纪的大部分时间里,我们认为原子是最“基本”的; 希腊词本身,ἄ,字面意思是“不可分割的”。 今天,我们知道原子可以分裂成原子核和电子,虽然我们不能分裂电子,但原子核可以分解成质子和中子,可以进一步细分为夸克和胶子。 许多人都想知道,这些粒子是否有一天会被进一步分裂,这些微观粒子能无穷分裂下去么?

一种五苯分子,由IBM用原子力显微镜和单原子分辨率成像。这是第一张单原子图像。

上面你看到的图片确实很了不起:它是一幅单个原子的图像,以特定的配置排列,采用一种与旧式照smile片没有区别的技术拍摄。照片的工作方式是,特定波长或一组波长的光被发送到物体上,其中一些光波不受阻碍地通过,而其他光波则被反射,通过测量未受影响的光或反射的光,您可以构造对象的负图像或正面图像。

所有这些都取决于摄影师利用光的一个特殊属性,即光的波属性。所有波都具有波长或特征长度尺度。 只要您尝试成像的对象大于您正在使用的光波的波长,您就可以拍摄该对象的图像。

(上图说明:对应于电磁频谱各部分的大小、波长和温度/能量标度。为了探测最小的尺度,你必须使用更高的能量和更短的波长。)

这就给了我们很大的控制权,让我们可以选择如何查看一个特定的物体:我们需要选择一个成像波长,使我们能够获得我们想要查看物体的高质量分辨率,但选择的波长不能太短,太短的波长会对查看的对象造成损坏或彻底破坏它。因为,物质的波长越短,其能量越高。

波长的选择,有助于解释如下现象:

  • 我们需要相对较大的天线来接收无线电波,因为无线广播的波长较长,而您需要一个相对较大的天线来与该信号交互。
  • 为什么你的微波炉门上有透明的玻璃窗口洞,这样长波长的微波光就可以被反射并留在里面,但是短波长的可见光可以出来,让你看到微波炉里面的情况,
  • 为什么太空中的微小尘埃颗粒在阻挡短波长(蓝色)光方面表现出色,在长波(红色)光方面表现不佳,在阻挡甚至更长波长(红外线)光方面表现尤其不佳。

(上图说明:同一物体的可见光(L)和红外(R)波长视图:创造的支柱。注意气体和尘埃对红外辐射的透明度有多高,以及这对我们可以探测到的背景和内部恒星的影响。)

当涉及到所有尺度上的成像对象时,选择用光子或者光量子,这是一个很好的方法。所以,如果你想构建某物的图像,为什么不使用光呢?

事实上,在构建图像时,物理学并不关心你是否选择光子还是光量子作为成像粒子。所有物理学关心的都是波长。如果选择一个光量子,那就是光子波长。但是如果是一个区别于光量子的粒子,像一个电子,你仍然会得到一个与你的能量相关的波长:德布罗意波长。实际上,无论你选择使用光波还是物质波都是无关紧要的,最重要的是波长。这就是我们如何探测物质,确定物体的大小,构建任意尺度的物质图像的技术。

(上图说明:碳纳米管和石墨烯等纳米材料不仅从科学或工业角度有趣,有时还能形成美丽的结构,在电子显微镜下,它们可以揭示出一个迷人的纳米世界的一瞥。展出的结构为千分之一毫米大,由数千个纳米粒子组成。电子是成像这些纳米到微米尺度结构的首选方法。)

当科学家们第一次发现物质的这一特性时,他们感到非常惊讶,他们对所看到的东西感到困惑和震惊。如果你通过势垒的缝隙发射电子,它会在另一面的一小堆中出现。如果你在第一个裂缝附近切第二个裂缝,你不会得到两个桩柱,相反,你会得到一个干涉图案,看上去感觉电子真的像波一样运动。

当人们试图控制电子,一次一个地向这两个狭缝发射时,事情变得更加奇怪了。他们通过实验记录电子一次落在裂缝后面的屏幕上的位置。当你一个接一个地发射更多的电子时,同样的干涉图样开始出现。电子不仅表现为波,而且每一个都表现得好像它可以干扰自己。

(上图说明:不仅光子,电子也能表现出波的特性。它们可以像光一样被用来构建图像,但是它们也可以像任何物质粒子一样被用来探测你与之碰撞的任何粒子的结构或大小。)

成像粒子能量越高,你能查看到的结构的尺寸就越小。如果你能提高电子(或光子、质子或其他东西)的能量,成像波长越短,获得图像的分辨率越高。如果你能精确测量非基本粒子分裂的时间,你就可以确定能量阈值,因此也可以确定它的大小。

这项技术运用,使我们能够确定如下科学事实:

  • 原子不是不可分割的,而是由电子和原子核组成的,它们的结合尺寸为10负10次方米。
  • 原子核可以分裂成质子和中子,每个质子和中子的大小约为10负15次方米。
  • 电子、夸克或胶子尺寸大约科学家勘探微观粒子的技能是什么?人类已知的基本粒子还能割裂么为10负19次方米。用高能粒子轰击电子、夸克或胶子时,它们并没有显示出内部结构的迹象。

(上图说明:复合粒子和基本粒子的大小,其中可能较小的粒子位于已知的内部。随着大型强子对撞机的出现,我们现在可以将夸克和电子的最小尺寸限制在10负19次方米,但我们不知科学家勘探微观粒子的技能是什么?人类已知的基本粒子还能割裂么道它们到底有多远,也不知道它们到底是点状的,是有限的,还是实际上是复合粒子。)

今天,我们相信,根据我们的测量,每一个标准模型粒子都是基本的,至少在10负19次米的范围内。

我们相信,基本原理应该意味着粒子是绝对不可分割的:它不能分解成组成它的更小的实体。简单地说,我们不应该把它打开。根据我们最好的粒子物理理论,所有已知的粒子标准模型:

  • 六种夸克和六种反夸克,
  • 三个充电轻子和三个反轻子,
  • 三个中微子和反中微子,
  • 八个胶子,
  • 光子,
  • W和Z玻色子,
  • 希格斯玻色子,

就目前的粒子物理理论,以上这些粒子标准模型预期是不可分割的、基本的和点状的。

(上图说明:标准模型的粒子和反粒子现在都被直接探测到了,最后一个“支撑物”,希格斯玻色子,在本世纪早些时候落在了大型强子对撞机上。所有这些粒子都可以在强子对撞机的能量下产生,而粒子的质量导致了基本常数,这对于全面描述它们是绝对必要的。这些粒子可以很好地用标准模型下量子场理论的物理学来描述,但它们并不描述一切,如像暗物质。)

但问题是:我们不知道这是真的。当然,标准模型说事物就是这样的,但是我们知道标准模型并不能给我们所有事情的最终答案。事实上,我们知道,在某种意义来说上,标准模型必然被打破,并且是错误的,因为它没有考虑引力、暗物质、暗能量,而往往这些才是宇宙中物质的主体。

自然界必须比这更多的东西。标准模型中粒子,是我们认知范围内基本的、点状的、不可分割的粒子,而客观实际上不是。也许,如果我们达到足够高的能量和足够小的波长,在我们当前的能量尺度和普朗克能量尺度之间,我们将能够看到更多的东西,实际上宇宙拥有的比我们目前知道的更多。

(上图说明:我们在宇宙中与之交互的物体范围从非常大的宇宙尺度到大约10负19次方米,最新的记录是由大型强子对撞机创下的。热大爆炸达到的尺度(在大小)和上升(能量)有很长的路要走,这仅比普朗克能量低约1000倍。如果标准模型粒子在性质上是复合的,则更高的能量探针可能会揭示出这一点,但"基本"必须是当今共识。)

当涉及到自然界的基本粒子时,这种将粒子相互粉碎的技术是我们研究它们的最佳工具。事实上,这些基本粒子迄今为止都没有被分割,没有显示出内部结构,也没有给我们提示它们的尺寸是有限的,这是我们迄今为止关于它们的性质的最好证据。

但是,我们的好奇心不会简单地满足于我们目前设定的限制。如果我们停止在原子,我们永远不会发现存在于原子内的量子秘密。如果我们停止在质子和中子,我们就永远不会发现填充宇宙的正常物质的基本结构。如果我们停这里,使用标准模型,谁知道我们会错过什么?

(上图说明:拟建的未来环形对撞机(FCC)的规模,与欧洲核子研究中心(CERN)和Tevatron(以前在费米实验室运营)的LHC相比。未来环形对撞机研究目标是轻子和质子。)

科学不是一知半解的事业,事业只要科学家勘探微观粒子的技能是什么?人类已知的基本粒子还能割裂么实验答案,然后去实践。而科学不同,科学是有关于发现;科学是探索我们以前从未看过的地方,找出不确定性的面纱背后隐藏着什么。

探索

我们知道如何进入下一个新的水平。我们知道如何去到下一个数量级和下一个能量和大小的有效数字。我们今天所理解的宇宙真的存在于那里吗?不知道。除非我们发现了大自然关于真正根本的最后秘密,否则我们不能让自己停止探索。

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