深度科普:物体可以无限分割吗?无限分割下去会得到什么?
我国古代哲学著作《庄子・天下》中,“一尺之棰,日取其半,万世不竭” 的精妙论述,早已蕴含着对物质无限可分性的深邃思考。这种哲学思辨跨越千年,与现代物理学对微观世界的探索遥相呼应,共同叩问着同一个终极命题:物质究竟能否被无限分割?当我们不断深入微观世界,又会揭开怎样的奥秘?
在现代物理学的探索历程中,对物质最小单元的追寻堪称一部波澜壮阔的史诗。起初,原子被奉为不可再分的 “宇宙之砖”,这一观念在道尔顿的原子学说中得到系统阐述,为近代化学和物理学奠定了基础。然而,科学的进步总是不断打破固有认知。
1909 年卢瑟福指导的 α 粒子散射实验成为物理学史上的转折点。
当高速 α 粒子轰击金箔时,绝大多数粒子径直穿过,却有极少数发生大角度偏转,甚至被反弹回来。这一惊人现象如同在黑暗中炸开的惊雷,彻底颠覆了人们对原子结构的认知,揭示出原子内部竟存在着极为空旷的空间,而微小却致密的原子核如同太阳般居于中心,核外电子则似行星般围绕其旋转。
此后,微观世界的大门被不断推开,新的粒子接连涌现。1932 年,查德威克发现中子,填补了原子核结构的重要拼图;1964 年,盖尔曼大胆提出夸克模型,指出质子和中子由更基础的夸克组成。为了验证这些理论,物理学家们建造出巨型粒子对撞机,这些庞大而精密的科学装置堪称人类智慧的结晶。以欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)为例,其环形隧道周长达到 27 公里,深埋地下 100 米,能够将质子加速到接近光速后相撞,瞬间释放出堪比宇宙大爆炸初期的极端能量。
通过分析碰撞产生的海量数据和碎片,科学家得以窥见微观粒子的奥秘,发现了更多种类的夸克以及轻子等基本粒子。
随着基本粒子的不断发现,粒子标准模型应运而生,它如同微观世界的 “元素周期表”,将已知的微观粒子进行系统分类。在这个模型中,费米子和玻色子构成了微观世界的两大阵营。
费米子,如电子、夸克和轻子,是构筑物质的基石,它们遵循泡利不相容原理,就像一个个坚守领地的 “小卫士”,确保物质具有稳定的结构和独特的性质;而玻色子则扮演着传递自然界基本作用力的关键角色,光子让电磁力得以施展,胶子维系着原子核的稳定,W 和 Z 玻色子掌控着弱力的传递。其中最具传奇色彩的希格斯玻色子,因其赋予其他粒子质量的特殊能力,被冠以 “上帝粒子” 的称号。
2012 年,LHC 实验团队终于成功捕捉到希格斯玻色子的踪迹,这一发现不仅验证了粒子标准模型的正确性,更让人类对物质质量的起源有了全新的认识。
然而,粒子标准模型并非尽善尽美。它无法解释暗物质、暗能量等宇宙中的神秘现象,也未能将引力成功纳入理论框架。
传递引力的引力子至今仍是理论假设中的存在,尽管科学家通过 LIGO 等引力波天文台探测到了引力波,间接证实了爱因斯坦广义相对论中关于引力的预言,但引力子的直接观测却始终未能实现。为了突破这一困境,物理学家们不断寻求新的理论突破,弦理论便是其中最具潜力的候选者之一。
弦理论提出了一个颠覆传统认知的观点:微观世界的所有基本粒子,无论是费米子还是玻色子,本质上都是由极其微小的 “弦” 组成。这些弦的尺度小到令人难以置信,仅有 10⁻³⁵米,比原子核还要小 20 个数量级。
它们如同宇宙中永不停歇的琴弦,以不同的振动模式产生不同的粒子,就像同一根琴弦通过不同的拨动方式能奏出多样的音符。弦理论不仅有望统一自然界的四种基本作用力,还能巧妙地解释暗物质、暗能量等宇宙谜题。然而,由于弦的尺度过于微小,现有的实验技术难以直接观测,这使得弦理论在很长一段时间内停留在理论假说阶段,面临着诸多质疑与挑战。
面对这些挑战,物理学家们并未退缩,反而不断升级实验设备,改进研究方法。未来,随着技术的不断进步,或许会出现更强大的粒子对撞机,其能量远超 LHC;或者开发出全新的探测技术,能够直接观测到弦的存在。
无论最终结果如何,人类对物质本质的探索永无止境,每一次新的发现都将推动我们对宇宙的认知迈向新的高度,或许在某一天,我们真的能够揭开物质无限分割的终极奥秘,触摸到宇宙最本质的规律。
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