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物質究竟可不可能存在一個最小的狀態?求科學解釋來科普大神
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  • 1 # 螞蟻科學

    古人有句話,“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”,講的是水瓢裡有一瓢水,在不考慮蒸發下,每天取走一半,則萬年都取不完。這講的是一種無限的思想,這在當時非常的先進,同時這個觀點在數學上確實成立。 但在物理上這個問題就成立不了了,因為物質不是無限可分,在粒子物理學中,構成物質的單位是基本粒子,如果每天日取一半,總有一天會取到基本粒子的範圍,這時就無法再分割了,我給你一級一級的分一下。

    拿水做例子,首先是宏觀物質,常規下能看見能觸碰,比如一瓢水。宏觀物質之間的主要作用力是萬有引力和電磁力。

    比它小一級的是物質分子,什麼樣的物質就由什麼樣的物質分子組成,所以這裡的分子就是水分子,無數個水分子在電磁力的作用下結合在一起,形成水滴。水分子由兩個氫原子和一個氧原子構成,這也是我們的下一級。

    原子,比如氫原子和氧原子,原子是構成分子的單位,原子跟原子之間也是電磁力的作用使它們結合在一起。原子由原子核和核外電子組成,其中,電子屬於基本粒子的範疇。

    原子核由中子和質子組成,中子不帶電性,質子帶有正電,它們之間由強相互作用力來維持。

    再下一級就是基本粒子,基本粒子包含夸克、輕子和玻色子,中子和質子就是基本粒子構成,其中中子由兩個下夸克和一個上夸克構成,這些基本粒子之間由弱相互作用力來維持。基本粒子是目前觀測到的最小粒子,它們是構成物質的最基本單位,基本粒子的種類也非常多,像光子、電子、夸克,還有前段時間的諾貝爾獎項,希格斯玻色子的發現,這也是一種基本粒子,且它是所有基本粒子中最後一個被發現的。

    宇宙弦

    前面在介紹基本粒子的時候順便說到了宇宙基本力,引力、電磁力、強力和弱力,它們分別作用於物質的不同尺度,愛因斯坦在廣義相對論之後把餘生獻給了他心心念唸的大一統理論,這個理論將把宇宙基本里給結合起來,用一個力來描述所有的力,至此整個宇宙就得到了統一,遺憾的是愛因斯坦並沒有完成,據說在生前最後一刻都還在計算。

    幾十年後,電磁力和強弱力被人們統一形成了電弱統一理論,但引力卻統一不了,這個難題又持續了一段時間,直到弦理論的出現,弦論透過引入宇宙弦的方式解決了力的統一問題,根據弦論的計算,這些基本作用力在更高維度下是可以統一的。其它的不介紹,這裡著重說一下宇宙弦,它是理論上物質的最小形式,它甚至不是物質,它只是一根一維能量絃線,這根線有的閉合成環,有的就是一條線,它們存在不同的震動模式,其不同的震動模式對應了不同的基本粒子,也就是說,基本粒子其實是這些宇宙弦不同的震動模式。

    弦理論是目前為止最接近大一統的理論,且在數學上它已經成功了,但目前弦論的一些預測結果無法透過實驗證明,因此弦論目前還只是個理論。

    最後再梳理一下,從小到大的物質分別是弦、基本粒子、核子、原子、分子、宏觀物質。

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