构成物质的最小单位是,组成物质的最小单位到底是什么

哲学家一直在思考一个问题,那就是构成物质的最小单位是:构成物质的真正的、最基本的组成单位是什么?答案还不明晰,但有一点已经确认,那就是基本单位绝对不是虚无 。哲学家只能思考,而科学家又思考又有探索,层次更高 。

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从目前来看,我们已经建立了一个成熟的标准模型,但是标准模型也并不是终极真理,而是一个巨大拼图的一个小角落 。在此之前,科学家提出了一个叫做夸克的概念 。夸克刚刚被提出来的时候,仅仅应用于数学计算,它可以被用作人的大脑之中记录量子反映情况的薄记系统 。而如今,研究夸克的性质在物理学中已经非常热门 。
科学家利用超大规模的高能粒子加速器,进行了粒子撞击实验 。通过观察电子撞击质子,已经清晰地证明了夸克的存在,而且知道夸克有六种 。这种试验方法,就相当于通过打破一个装置,然后知道这个装置内部的结构 。比如,我们想知道一个铅笔盒里面有什么笔,于是我们让两个铅笔盒相撞,铅笔盒破碎之后,就露出了内部的秘密 。我们在高能粒子加速器之中发现了六种夸克,而研究这些夸克的性质就构成了一门物理学科,即粒子物理学 。
【构成物质的最小单位是,组成物质的最小单位到底是什么】物理学家计算认为,在这六种已知的夸克之外,还应该有它们相对应的轻子 。比如我们,大家通常提起的电子,就是六种轻子的一种 。而每次粒子碰撞实验,科学家都会发现层出不穷的新粒子 。这些发明似乎在暗示着我们,我们还没有找到物质真正的、最基本的组成单位 。探索还在继续 。
科学家一直在探索最深层次的物质本质,永远没有尽头 。即使没有哲学家提出相应的问题,科学家也会对物质的本质、它的最基本的组成单位非常感兴趣,会一直这样往深层次研究下去 。
目前,物理学家正致力于在理论上来理解和探索比夸克还要小的范畴,并且建立起一些让人难以琢磨的数学模型 。研究这些数学模型来解各种粒子的方法,便称之为弦理论 。弦理论要求仅仅在十的负三十三次方厘米的范畴上观察和解释粒子 。这个范围比质子要小上20个数量级,任何技术手段都不可能直接观察到,只能通过数学来组建外围模型 。如果一个原子有我们的太阳系那么大,直径为1光年,那么一根弦的大小相当于地球上的一棵树 。而有的科学家认为,夸克也是一种弦的振动模式 。
但不管是什么样的物质,无论它有多大,也无论它有多小,上至恒星系,下到夸克甚至更小,控制它们运动的,都只是几种基本力 。在某种意义上,对宇宙本质的探索,就是对这些力的性质的本质探索 。
目前为止公认的物质的最小的构成单位是夸克 。
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常见的物质都是由原子构成,原子由原子核和核外电子构成 。原子核又由质子和中子构成,质子和中子统称为核子 。而核子(质子和中子)是由夸克构成的 。现代物理发展出来的弦理论还会认为更基本的物质构成单位是弦,但由于目前还没有确切的实验证据,因此无法被大家公认 。
夸克有六种:上夸克,下夸克,顶夸克,底夸克,粲夸克和奇异夸克,另外还有它们各自的反粒子 。一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成 。上夸克带 +2/3e电荷,下夸克带-1/3e电荷 。夸克大小的上限是10的-18次方米,也就是说夸克要比10的-18次方米还要小 。夸克的概念最初是由物理学家盖尔曼提出的 。夸克是一种费米子,自旋是1/2。因为质子中子的自旋为1/2,那么三个夸克,如果两个自旋向上,一个自旋向下,就可以组成自旋为1/2的质子、中子 。两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子,它们称为介子,如π介子 。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子,重子和介子统称强子,因为它们都参与强相互作用,故有此名 。
图1. 质子的夸克模型
美国麻省理工学院(MIT)的科学家和斯坦福直线加速器中心的科学家在1967年至1973年做了一系列实验工作,最终确认了夸克的存在 。他们因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖,这三位科学家依次是美国麻省理工学院(MIT)的杰罗姆·弗里德曼、享利·肯德尔和斯坦福直线加速器中心的理查德·泰勒 。
这个问题,有太多的朦胧,莫衷一是 。我认为,“物质的可分性”本该是物理问题,而不是数学问题,也不是哲学问题 。如果物理说不清,其它就是胡扯 。
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一,分割物质的目的是什么?
显然,认识物质的宏观现象,总是要涉及物质内部的微观本质 。例如,皮肤疼痛的微观,是细胞不正常的震荡,乃至细胞内部分子的异动 。五颜六色的微观,是不同光谱的波动,乃至电磁振荡激发的真空涟漪传播 。
二,区别物质的存在形式与内在属性 。
万千世界都是物质的,空间或真空也是物质的,但思维所用的概念不是物质 。有人不能或不愿区别物质的形式与内容 。
有的概念反映物质的存在形式,是物质概念的外延 。例如电子、原子、分子、晶胞、基因、细胞 。
有的概念反映物质的内在属性,是物质概念的内涵,但不是物质的形式 。例如时间、尺度、质量、能量、速度、频率 。说“能量是一种物质”至少是不严谨的 。
三,物质不可能无限分割 。
物质可以小到分子→原子→核子→电子→光子→虚粒子 。虚粒子是量子场论的说法,其实就是空间涟漪之量子,即真空涟漪,是最小的物质单元 。有的学者认为,1个真空涟漪的质量是1.26e-39kg,大概是电子质量的6.4亿分之1 。