人类已知最小的东西

夸克的提出者

夸克的提出者之一默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）1929年09月15日出生于美国纽约的一个犹太家庭里。童年时就对科学有浓厚兴趣，14岁进入耶鲁大学，1948年获学士学位后转麻省理工学院，三年后获博士学位，年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。

1953年到芝加哥大学当讲师。参加到以费米为核心的研究集体之中，1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授，年后升正教授，成为加州理工学院最年轻的终身教授。

夸克的另一位提出者是乔治·茨威格（George Zweig）生于俄罗斯莫斯科一犹太家庭，原本要在理查德·费曼的指导下成为粒子物理学家，但后来转往研究神经生物学。他在洛斯阿拉莫斯国家实验室及麻省理工学院任职科学研究员，但于2004年转投金融行业。

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物理学家第一次使用质子撞击电子时，观察到电子被质子内部的三个小硬核反弹回的现象。这些核后来被称为夸克，是组成质子的更小的粒子。夸克是我们在科学研究中遇到的最小粒子。夸克的发现意味着质子和中子不再是最基本的组成粒子。

为了更深入地理解，我们来剖析物质，逐层探究其组成。

总体看来，物质很坚固且它的性质很容易被测量。然而，即使是一个6岁的孩子也能推断出他精心搭建的沙堡是由数十亿粒微小的沙粒组成的...那么接下来的问题是：沙粒是由什么构成的?

原子

剥去一层，你会发现一个整齐有序的原子结构。原子的概念最初是由希腊人提出的，他们认为物体可以被无限地一分为二，直到剩下一个独立的、不可分割的物质点。这个微小到难以想象的单位不能再分割了，因此被称为“原子”，源于希腊语的A-tomos。A代表“不”，tomos代表“可切分的”或“可拆分的”。

图源：scienceabc

令人惊讶的是，这一理论并不成功。大多数关于基本成分的文献都丢失了，它们在几个世纪后被找回。大约两千年后原子才被确认为一个真实存在的基本物理对象。

化学家约翰·道尔顿在19世纪时对气体进行了一系列巧妙的实验才使得这一推测最终得到了证实。原子的平均直径约为50纳米，即一粒沙子的百万分之一。然后原子就成为了人类所知的最小的粒子。

亚原子粒子

到了1897年，J.J.汤姆森先生经过深入研究发现了更基本的东西——电子!这是一个革命性的发现，电子技术的先驱们对此感激不尽。一个电子的“平均”直径是10^-13厘米，比一粒沙子小20000亿倍。

由于原子呈电中性，汤姆森认为电子的负电荷一定被嵌入其中的一小块正电荷所抵消了。这就是著名的“葡萄干布丁”模型。

然而这个想法被有力地驳回了。1911年，卢瑟福用α射线轰击一片薄薄的金箔，发现原子的大部分是空的，但原子中央有一个正电荷。他把中央部分称为原子核，并把带正电荷的'粒子命名为质子。据测量，质子的“平均”直径比电子的“平均”直径小三倍，但它的质量比电子大1837倍!

卢瑟福还假设电子围绕原子核旋转，类似于太阳系的行星模型。但是在这两个模型中，中央实体与依附其存在的实体之间的距离存在着天壤之别。

图源：scienceabc

好景不长。不久，化学家们发现了同位素——这些元素的化学性质难以区分，但它们的原子质量不同。一对同位素似乎含有相同数量的质子，但它们的总质量存在差异。

对此，卢瑟福认为存在一种新的基本粒子，比质子略重，但呈电中性。1932年，詹姆斯查德威克发现了这种基本粒子——中子。中子和质子的大小相同，但质量大约是电子质量的2000倍。

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其实目前来说，夸克并不能单独的被观测到，因为夸克之间的作用力会因为距离越来越远而越来越大，所以带有色荷的夸克大多都是只能和其他的夸克连接在一起，作为“强子”这样一个整体而被观测到，所以目前来说人类大部分的夸克资料都是通过观测强子来获取的，不过相信随着科学的进步，粒子的'最小值并不会只限于夸克，甚至有人认为夸克放大后还是宇宙。

其实和夸克同等级别的还有一种轻子粒子，它算是夸克的亲戚，它和夸克都属于费米粒子，其中轻子和夸克最大的不同之处就在于它们带有的电荷不同，轻子大多是不带电荷或者只带有一个点和，而夸克则是带有三分之一等不足1单位的电荷。

比夸克更小的单位

其实人们都认为夸克并非是最小的粒子，只是目前还没有能力发现它，据说早在1974年的时候，两位物理学家乔杰什·帕蒂和阿卜杜勒·萨拉姆就曾经提出了“前子”这一概念，而前子并非是一种真实，而是一个理论概念，从理论上来说它就是夸克的下一级粒子。