设想一下,如果我们拥有一块完整的物质,将其劈开,便会产生两份独立的物质;再从其中一份继续分割,又会得到两份新的物质。如此反复操作,我们是否能够无限制地继续分割下去呢?
这是一个引人深思的问题,自小学时代起,无数人便开始探索类似的问题。同时,这也是一个源远流长的议题,相关记载可追溯至2800多年前的古希腊时期。在那个科学尚未兴起的年代,人们只能从哲学的角度进行思考,试图通过解答这一问题来揭示万物的本源。诸如毕达哥拉斯、泰勒斯等著名古希腊学者,都曾对这一问题表达过自己的见解。其中,德谟克利特的观点与现代科学最为契合,他认为物质无法无限分割,世间存在着一种“最小物质”的存在。
尽管德谟克利特提出了“最小物质”的概念,但他的论述仍停留在哲学层面。在科学尚未诞生的古代,他无法明确指出“最小物质”究竟是什么。然而,在当代,我们已经找到了答案。
世界由各种各样的物质构成,无论是桌椅板凳、电器设备,还是窗外的山石树木、小桥流水,乃至浩瀚宇宙中的各种天体,都属于物质的范畴。这些宏观物质是可以被分割的,而且可以分割无数次,直至变为单个分子。大多数物质由分子构成,也有部分物质直接由原子构成,以水为例,它就是由水分子构成的。
水分子极其微小,通常情况下,一滴约0.05毫升的水中就含有约10万亿亿个水分子。
水分子虽小,但并非物质最基本的形态。我们还可以继续拆分水分子,发现它是由两个氢原子和一个氧原子组成的。氧气是我们日常生活中不可或缺的气体,我们每时每刻都需要呼吸,而呼吸离不开氧气,氧气分子则是由两个氧原子构成的。那么,氧原子是否是物质的最小单位呢?答案仍然是否定的。通过进一步拆分氧原子,我们会发现它包含两个基本组成部分:原子核和8个核外电子。还能继续拆分吗?可以的。
若我们深入原子核,会发现其中包含有质子和中子。以氧原子核为例,它包含8个质子和8个中子。
此时,我们或许认为已经到达了分割的终点。确实,最初科学家们也认为质子和中子是不可再分的。然而,后来科学家们设想,如果用高速粒子轰击质子和中子,会发生什么?当科学家们真的进行实验后,发现被轰击的质子和中子出现了三个不同角度的偏转,这意味着质子和中子内部还存在着其他物质。因此,质子和中子依然可以继续拆分。那么,比质子和中子更小的物质是什么?那就是夸克。至此,我们终于找到了物质的最小单位,夸克因此被称为“基本粒子”。
当然,世界上的基本粒子并非只有一种,原子核外的电子也是一种不可再分的基本粒子,除此之外还有许多其他基本粒子。为了描述这些构成物质的基本粒子,一套理论应运而生,它被称为“标准模型”。
根据标准模型,已知的基本粒子多达61种,这些基本粒子可以被分为两类:费米子和玻色子。可以说,世界上所有的物质都是由这些基本粒子构成的。那么,费米子和玻色子在物质构成中分别扮演着怎样的角色呢?费米子是构成物质的最小单位,它包括了电子、夸克等。有趣的是,物质具有质量,无论是宏观世界的物质,还是分子和原子,都拥有质量,但基本粒子本身却都没有质量。
没有质量的基本粒子是如何构成有质量的物质的呢?这就要归功于玻色子了。
玻色子包括光子、胶子、W玻色子、Z玻色子以及希格斯玻色子。玻色子也是基本粒子,因此没有质量,但在物质构成中,它们扮演着“粘合剂”的角色,主要作用是“传递相互作用”。正是粒子间的相互作用,使得物质拥有了质量。例如,当数个夸克在胶子的粘合作用下构成一个质子后,它便拥有了质量。当今世界已知的所有物质都是这样构成的。由此可见,物质是不能无限分割的,物质的最小单位,即基本粒子是不可再分的。