宇宙中有比電子更小的物質存在嗎?

宇宙中當然有比電子更小的物質存在,目前我們已知在宇宙空間中,除了電子之外,還有中微子和光子都屬於最小的粒子。理論上黑洞的中心奇點也極小,未來人類或許還會發現其它比電子小的微觀物質,比如某些暗物質;還有可能,以後的科學家會發現原來場(磁場、電場和引力場)也是一種更小的物質。

宇宙中有比電子更小的物質存在嗎?

一個原子模型

電子有多大?

電子很小,在相當長的時間裡,科學家們甚至以為電子是宇宙中最小的物質形態。

電子的靜止質量大約為 9.118195399×10⁻³¹ kg,按照愛因斯坦的質能方程 E=mc²,電子的質量又可以表達為0.511MeV/c²。這個質量僅為質子質量的1/1836、中子的1/1837。

電子不僅質量小,它的尺寸也極小。但電子的半徑究竟有多大?這卻是現代物理學裡邊一個極具挑戰性的問題。

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電子到底多大是一個物理學難題

我們沒有任何一把尺子去丈量電子,物理學家們唯一的辦法就是計算。物理學裡有一個“經典電荷半徑”,它的值為 2.8179×10⁻¹⁵ m:

宇宙中有比電子更小的物質存在嗎?

經典電子半徑的推算

這裡產生了一個問題:這個值比質子的電荷半徑 8.768×10⁻¹⁶ m 大了好幾倍。我們知道電子是輕子,它不可再分;而質子是重子,它是由三個夸克組成,它不可能比電子還小。“電荷半徑”是忽略量子力學影響的計算結果,與電子的基本結構沒有關係,它並不代表電子真實的大小。

你可能會說,電子是“點粒子”呀!點粒子無量綱,這意味著它不佔空間,沒有半徑。

的確,在電磁物理學中,我們經常會討論到“點電荷”(非零電荷的點粒子),在引力理論中也經常用“點質量”指非零質量並且沒有其它屬性或結構的點粒子。但是對於電子來說,由於它的自能量趨向於無窮大,因此從數學的角度它不可能沒有半徑。

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德梅爾特與保羅利用離子阱技術測量了電子半徑

1988年,德國科學家漢斯·德梅爾特與沃爾夫岡·保羅利用離子阱技術(潘寧阱)測量了電子磁矩,得出電子的半徑上限為10⁻²² m,這也是目前已知對電子最精確的測量,二人也因離子阱技術共同獲得1989年諾貝爾物理學獎。

光子

光子是目前已知的最小粒子。

在現代物理學的所有定義中,光子的質量被嚴格限制為0,並且光子也被認為是經典的點粒子,它不帶電荷,對外顯示電中性。

對於光子的質量是否真的為0,世界上有許多科學家並不甘心,他們用各種方法來測量光子,試圖找出它的最大質量。2006年羅院士和塗良成團隊利用改進的動態扭秤調製實驗裝置測量光子,將光子靜止質量上限數值提高到1.5×10⁻⁵²g 的水平。這個結果顯然遠低於電子的已知靜止質量。

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光子是最小粒子,它沒有體積

中微子

每一秒鐘就有超過650億個中微子穿過我們的眼球和後腦勺、穿透地球射到遙遠的星空中去,但我們對此毫無感覺。

中微子可能是宇宙中數量最多的基本粒子,它們的數量可能比宇宙中質子數量的總和還要多出十倍以上。但是中微子實在太小,它的質量只有電子的幾百萬分之一甚至更低,並且中微子對外不顯電性,除非與原子核正面相撞,否則我們不能觀測到它的存在。

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中微子是點粒子,它可以無阻礙地穿透星球

在現代物理學中,中微子與光子一樣也是點粒子,它沒有體積,因此可以以接近光的速度飛行。光因為電磁波的特性,它無法穿透原子外圍的電子雲,而原子對於中微子來說就如同遼闊的廣場一般。

黑洞

與光子和中微子不同,科學家們至今都無法真正地觀測到黑洞內部的情況,這是因為其內部強大的引力使光都無法逃脫,因此我們只能看到一個黑乎乎的“窟窿”,科學家稱這個窟窿為“事件視界”。在黑洞的中心,居住著一個被稱為“引力奇點”的天體,它的質量可能有幾十甚至幾十億顆太陽那麼大,而它的半徑也許比一個電子還要小。

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黑洞中心是一個看不見的奇點

物理學家們經過計算,認為黑洞的引力奇點的體積為零,這意味著它的半徑無限小,密度無限大,因此黑洞的奇點與光子和中微子一樣,都是點粒子。不同的是,黑洞是天體,光子、中微子和電子是基本粒子。

宇宙中還有其它比電子更小的物質嗎?

物理學給出的答案是相互矛盾的。

在一部分物理學說中,電子被定義為點粒子,它是數學上一個一維的“點”,沒有半徑,因此電子與光子和中微子甚至黑洞一樣,它是宇宙中最小的物體,沒有比電子更小的物質了。

電子的電荷半徑比質子還大,並且已知電子有質量並且其自能量趨於無窮大,因此數學上電子應該是有半徑的,科學家通過離子阱技術測量,認為電子的最大半徑在10⁻²² m之內。因此,光子和中微子是比電子更小的微觀粒子。

宇宙中有比電子更小的物質存在嗎?

奇妙的微觀粒子

科學的進步永無止境,隨著人類對自然探索的一步步深入,我們會發現更多更小的微觀物體。電子,只不過是其中之一罷了。


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