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宇宙中有比电子更小的物质存在吗?

2020/9/14 13:20:15 来源:原创 浏览:

宇宙中当然有比电子更小的物质存在,目前我们已知在宇宙空间中,除了电子之外,还有中微子和光子都属于最小的粒子。理论上黑洞的中心奇点也极小,未来人类或许还会发现其它比电子小的微观物质,比如某些暗物质;还有可能,以后的科学家会发现原来场(磁场、电场和引力场)也是一种更小的物质。

一个原子模型

电子有多大?

电子很小,在相当长的时间里,科学家们甚至以为电子是宇宙中最小的物质形态。

电子的静止质量大约为 9.118195399×10⁻³¹ kg,按照爱因斯坦的质能方程 E=mc²,电子的质量又可以表达为0.511MeV/c²。这个质量仅为质子质量的1/1836、中子的1/1837。

电子不仅质量小,它的尺寸也极小。但电子的半径究竟有多大?这却是现代物理学里边一个极具挑战性的问题。

电子到底多大是一个物理学难题

我们没有任何一把尺子去丈量电子,物理学家们唯一的办法就是计算。物理学里有一个“经典电荷半径”,它的值为 2.8179×10⁻¹⁵ m:

经典电子半径的推算

这里产生了一个问题:这个值比质子的电荷半径 8.768×10⁻¹⁶ m 大了好几倍。我们知道电子是轻子,它不可再分;而质子是重子,它是由三个夸克组成,它不可能比电子还小。“电荷半径”是忽略量子力学影响的计算结果,与电子的基本结构没有关系,它并不代表电子真实的大小。

你可能会说,电子是“点粒子”呀!点粒子无量纲,这意味着它不占空间,没有半径。

的确,在电磁物理学中,我们经常会讨论到“点电荷”(非零电荷的点粒子),在引力理论中也经常用“点质量”指非零质量并且没有其它属性或结构的点粒子。但是对于电子来说,由于它的自能量趋向于无穷大,因此从数学的角度它不可能没有半径。

德梅尔特与保罗利用离子阱技术测量了电子半径

1988年,德国科学家汉斯·德梅尔特与沃尔夫冈·保罗利用离子阱技术(潘宁阱)测量了电子磁矩,得出电子的半径上限为10⁻²² m,这也是目前已知对电子最精确的测量,二人也因离子阱技术共同获得1989年诺贝尔物理学奖。

光子

光子是目前已知的最小粒子。

在现代物理学的所有定义中,光子的质量被严格限制为0,并且光子也被认为是经典的点粒子,它不带电荷,对外显示电中性。

对于光子的质量是否真的为0,世界上有许多科学家并不甘心,他们用各种方法来测量光子,试图找出它的最大质量。2006年罗院士和涂良成团队利用改进的动态扭秤调制实验装置测量光子,将光子静止质量上限数值提高到1.5×10⁻⁵²g 的水平。这个结果显然远低于电子的已知静止质量。

光子是最小粒子,它没有体积

中微子

每一秒钟就有超过650亿个中微子穿过我们的眼球和后脑勺、穿透地球射到遥远的星空中去,但我们对此毫无感觉。

中微子可能是宇宙中数量最多的基本粒子,它们的数量可能比宇宙中质子数量的总和还要多出十倍以上。但是中微子实在太小,它的质量只有电子的几百万分之一甚至更低,并且中微子对外不显电性,除非与原子核正面相撞,否则我们不能观测到它的存在。

中微子是点粒子,它可以无阻碍地穿透星球

在现代物理学中,中微子与光子一样也是点粒子,它没有体积,因此可以以接近光的速度飞行。光因为电磁波的特性,它无法穿透原子外围的电子云,而原子对于中微子来说就如同辽阔的广场一般。

黑洞

与光子和中微子不同,科学家们至今都无法真正地观测到黑洞内部的情况,这是因为其内部强大的引力使光都无法逃脱,因此我们只能看到一个黑乎乎的“窟窿”,科学家称这个窟窿为“事件视界”。在黑洞的中心,居住着一个被称为“引力奇点”的天体,它的质量可能有几十甚至几十亿颗太阳那么大,而它的半径也许比一个电子还要小。

黑洞中心是一个看不见的奇点

物理学家们经过计算,认为黑洞的引力奇点的体积为零,这意味着它的半径无限小,密度无限大,因此黑洞的奇点与光子和中微子一样,都是点粒子。不同的是,黑洞是天体,光子、中微子和电子是基本粒子。

宇宙中还有其它比电子更小的物质吗?

物理学给出的答案是相互矛盾的。

在一部分物理学说中,电子被定义为点粒子,它是数学上一个一维的“点”,没有半径,因此电子与光子和中微子甚至黑洞一样,它是宇宙中最小的物体,没有比电子更小的物质了。

电子的电荷半径比质子还大,并且已知电子有质量并且其自能量趋于无穷大,因此数学上电子应该是有半径的,科学家通过离子阱技术测量,认为电子的最大半径在10⁻²² m之内。因此,光子和中微子是比电子更小的微观粒子。

奇妙的微观粒子

科学的进步永无止境,随着人类对自然探索的一步步深入,我们会发现更多更小的微观物体。电子,只不过是其中之一罢了。

看看网友怎么说

小丑KOKER:没有了[灵光一闪][灵光一闪]

用户5680655555650:黑洞碾碎物质后抛出来的东西是啥

理论物理:不是夸克最小么

13610105967:什么是电荷半径?例如电子有正电荷和负电荷,即电子有自身的反粒子。磁子有极性姑且命名为南极和北极,即磁子有自身的反极端。光子呢?光子也有自己红外光或紫外光的晕界,即光子也有自身的反界面,红、紫不能晕同,即使科学上说光子无静止电荷,质心无限小,但为何又受到原子核的阻隔呢?又或者受到核子质心的偏析呢?中微子有自身的反中微子吗?中微子科学上也称为无静止电荷,质心无限小,但又为何绝少受到电子的阻隔,光子阻隔或者核子核心夸克的阻隔呢?莫非三夸克组成的中子或质子还有很大的空隙?能让中微子通过而礼让尊崇!科学上有发现中微子爆炸吗?其道理何在?中微子有衰变吗?其产物又是什么?中微子没有质量,能量能产生吗?中微子没有电荷,能产生反荷吗?玻色子是质量子、或者是能量子?是质量子有其反质子否?是能量子有其反能量子否?不可思意,当然思意不可!追寻要有根有底,正如黑洞引力追寻起引力波一样证伪可据。

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