我國古代哲學(xué)著作《莊子?天下》中,“一尺之棰,日取其半,萬世不竭” 的精妙論述,早已蘊(yùn)含著對(duì)物質(zhì)無限可分性的深邃思考。
這種哲學(xué)思辨跨越千年,與現(xiàn)代物理學(xué)對(duì)微觀世界的探索遙相呼應(yīng),共同叩問著同一個(gè)終極命題:物質(zhì)究竟能否被無限分割?當(dāng)我們不斷深入微觀世界,又會(huì)揭開怎樣的奧秘?
在現(xiàn)代物理學(xué)的探索歷程中,對(duì)物質(zhì)最小單元的追尋堪稱一部波瀾壯闊的史詩。起初,原子被奉為不可再分的 “宇宙之磚”,這一觀念在道爾頓的原子學(xué)說中得到系統(tǒng)闡述,為近代化學(xué)和物理學(xué)奠定了基礎(chǔ)。然而,科學(xué)的進(jìn)步總是不斷打破固有認(rèn)知。
1909 年盧瑟福指導(dǎo)的 α 粒子散射實(shí)驗(yàn)成為物理學(xué)史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
當(dāng)高速 α 粒子轟擊金箔時(shí),絕大多數(shù)粒子徑直穿過,卻有極少數(shù)發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),甚至被反彈回來。這一驚人現(xiàn)象如同在黑暗中炸開的驚雷,徹底顛覆了人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知,揭示出原子內(nèi)部竟存在著極為空曠的空間,而微小卻致密的原子核如同太陽般居于中心,核外電子則似行星般圍繞其旋轉(zhuǎn)。
此后,微觀世界的大門被不斷推開,新的粒子接連涌現(xiàn)。1932 年,查德威克發(fā)現(xiàn)中子,填補(bǔ)了原子核結(jié)構(gòu)的重要拼圖;1964 年,蓋爾曼大膽提出夸克模型,指出質(zhì)子和中子由更基礎(chǔ)的夸克組成。為了驗(yàn)證這些理論,物理學(xué)家們建造出巨型粒子對(duì)撞機(jī),這些龐大而精密的科學(xué)裝置堪稱人類智慧的結(jié)晶。以歐洲核子研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)為例,其環(huán)形隧道周長達(dá)到 27 公里,深埋地下 100 米,能夠?qū)①|(zhì)子加速到接近光速后相撞,瞬間釋放出堪比宇宙大爆炸初期的極端能量。
通過分析碰撞產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)和碎片,科學(xué)家得以窺見微觀粒子的奧秘,發(fā)現(xiàn)了更多種類的夸克以及輕子等基本粒子。
隨著基本粒子的不斷發(fā)現(xiàn),粒子標(biāo)準(zhǔn)模型應(yīng)運(yùn)而生,它如同微觀世界的 “元素周期表”,將已知的微觀粒子進(jìn)行系統(tǒng)分類。在這個(gè)模型中,費(fèi)米子和玻色子構(gòu)成了微觀世界的兩大陣營。
費(fèi)米子,如電子、夸克和輕子,是構(gòu)筑物質(zhì)的基石,它們遵循泡利不相容原理,就像一個(gè)個(gè)堅(jiān)守領(lǐng)地的 “小衛(wèi)士”,確保物質(zhì)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的性質(zhì);而玻色子則扮演著傳遞自然界基本作用力的關(guān)鍵角色,光子讓電磁力得以施展,膠子維系著原子核的穩(wěn)定,W 和 Z 玻色子掌控著弱力的傳遞。其中最具傳奇色彩的希格斯玻色子,因其賦予其他粒子質(zhì)量的特殊能力,被冠以 “上帝粒子” 的稱號(hào)。
2012 年,LHC 實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)終于成功捕捉到希格斯玻色子的蹤跡,這一發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性,更讓人類對(duì)物質(zhì)質(zhì)量的起源有了全新的認(rèn)識(shí)。
然而,粒子標(biāo)準(zhǔn)模型并非盡善盡美。它無法解釋暗物質(zhì)、暗能量等宇宙中的神秘現(xiàn)象,也未能將引力成功納入理論框架。
傳遞引力的引力子至今仍是理論假設(shè)中的存在,盡管科學(xué)家通過 LIGO 等引力波天文臺(tái)探測(cè)到了引力波,間接證實(shí)了愛因斯坦廣義相對(duì)論中關(guān)于引力的預(yù)言,但引力子的直接觀測(cè)卻始終未能實(shí)現(xiàn)。為了突破這一困境,物理學(xué)家們不斷尋求新的理論突破,弦理論便是其中最具潛力的候選者之一。
弦理論提出了一個(gè)顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知的觀點(diǎn):微觀世界的所有基本粒子,無論是費(fèi)米子還是玻色子,本質(zhì)上都是由極其微小的 “弦” 組成。這些弦的尺度小到令人難以置信,僅有 10?3?米,比原子核還要小 20 個(gè)數(shù)量級(jí)。
它們?nèi)缤钪嬷杏啦煌P那傧遥圆煌恼駝?dòng)模式產(chǎn)生不同的粒子,就像同一根琴弦通過不同的撥動(dòng)方式能奏出多樣的音符。弦理論不僅有望統(tǒng)一自然界的四種基本作用力,還能巧妙地解釋暗物質(zhì)、暗能量等宇宙謎題。然而,由于弦的尺度過于微小,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以直接觀測(cè),這使得弦理論在很長一段時(shí)間內(nèi)停留在理論假說階段,面臨著諸多質(zhì)疑與挑戰(zhàn)。
面對(duì)這些挑戰(zhàn),物理學(xué)家們并未退縮,反而不斷升級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,改進(jìn)研究方法。未來,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,或許會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī),其能量遠(yuǎn)超 LHC;或者開發(fā)出全新的探測(cè)技術(shù),能夠直接觀測(cè)到弦的存在。
無論最終結(jié)果如何,人類對(duì)物質(zhì)本質(zhì)的探索永無止境,每一次新的發(fā)現(xiàn)都將推動(dòng)我們對(duì)宇宙的認(rèn)知邁向新的高度,或許在某一天,我們真的能夠揭開物質(zhì)無限分割的終極奧秘,觸摸到宇宙最本質(zhì)的規(guī)律。
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