物質(zhì)的基本組成是原子，而原子又能分為原子核和電子，原子核還能繼續(xù)分為質(zhì)子和中子（除了氕核之外），質(zhì)子和中子又能進(jìn)一步分為夸克和膠子。
一直以來(lái)，物理學(xué)家不斷把粒子分成更小粒子，直至最小的尺寸，以尋找組成物質(zhì)的基本粒子。那么，物理學(xué)家是如何知道一個(gè)基本粒子有多小呢？
上圖是第一張單原子照片，由原子力顯微鏡（AFM）拍攝到的并五苯分子，達(dá)到單原子分辨率。成像方式如下：一組特定波長(zhǎng)的光被發(fā)射到目標(biāo)物體上，其中一些光波直接穿過(guò)，而有一些則會(huì)被反射回去。通過(guò)測(cè)量未反射或者反射的光，可以構(gòu)建出目標(biāo)物體的陰像或陽(yáng)像的畫(huà)面。
各種波長(zhǎng)的光
這種方法依賴于光的一種特殊性質(zhì)——它們能夠表現(xiàn)為波，所有的波都有一個(gè)波長(zhǎng)。只要所要成像的物體大于所用光波的波長(zhǎng)，就能拍下那個(gè)物體的圖像。
基于這樣的事實(shí)，我們需要選擇一個(gè)特定的成像波長(zhǎng)，以獲得目標(biāo)物體的高質(zhì)量分辨率圖像。我們不能使用波長(zhǎng)很短的廣，因?yàn)檫@種光的能量很高，用它們來(lái)觀測(cè)物體會(huì)造成破壞。
正因?yàn)槿绱耍覀兿胍┩钙つw看到骨骼，就需要能夠更高波長(zhǎng)更短的X射線。而如果要接收到波長(zhǎng)很長(zhǎng)的無(wú)線電波，就需要尺寸非常大的射電望遠(yuǎn)鏡，例如，直徑可達(dá)500米的中國(guó)天眼。
那么，物理學(xué)家也是用光子來(lái)研究基本粒子的尺寸呢？畢竟，只有光與物體相互作用之后，才能構(gòu)建出物體的圖像。
關(guān)鍵的波長(zhǎng)
事實(shí)上，物理學(xué)家并不在意是否是光子在構(gòu)造目標(biāo)物體的圖像。通過(guò)其他粒子也能構(gòu)造圖像，因?yàn)槿魏瘟Ｗ佣加幸粋€(gè)與能量相關(guān)的波長(zhǎng)——德布羅意波，又稱物質(zhì)波。無(wú)論選擇使用光波還是物質(zhì)波都是無(wú)關(guān)緊要的，唯一重要的是波長(zhǎng)。這就是物理學(xué)家如何探測(cè)物質(zhì)，并確定一個(gè)物體的大小到任何所選擇的尺度。
當(dāng)物理學(xué)家首次認(rèn)識(shí)到這種現(xiàn)象時(shí)，他們既感到十分困惑，又感到十分驚奇。如果不斷把電子從擋板上的一個(gè)狹縫中發(fā)射出去，它會(huì)在另一邊接收屏上形成“電子堆”。但如果擋板上有兩個(gè)相鄰的狹縫，接收屏上不會(huì)有兩堆電子，而是一個(gè)干涉圖樣，就好像電子真的像波一樣運(yùn)動(dòng)，這就是波粒二象性。
更令人瞠目結(jié)舌的是，如果向這兩條狹縫一次只發(fā)射一個(gè)電子，結(jié)果還會(huì)出現(xiàn)同樣的干涉圖樣。電子不僅表現(xiàn)得像波一樣，而且每一個(gè)電子都好像可以與自己發(fā)生干涉。如果進(jìn)一步改變實(shí)驗(yàn)，還會(huì)得到更加奇怪的惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)，這里不再展開(kāi)。
理論上，如果讓粒子（電子、質(zhì)子或者光子等等）達(dá)到越高的能量，其波長(zhǎng)越短，分辨率越高，以此就能探測(cè)到尺寸越小的結(jié)構(gòu)。倘若能準(zhǔn)確地測(cè)量出非基本粒子什么時(shí)候分裂，這樣就能確定能量閾值，從而測(cè)出它的大小。
基本粒子的尺寸
通過(guò)這種方法，物理學(xué)知道，原子可以分割成原子核和電子，它們的總大小約為10^-10米。原子核也能進(jìn)一步分割成質(zhì)子和中子，這些更小粒子的尺寸約為10^-15米。質(zhì)子和中子又能分割為夸克和膠子，它們的尺寸小于10^-18米。
另一方面，如果用高能粒子轟擊夸克、膠子和電子，它們沒(méi)有表現(xiàn)出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的證據(jù)，這意味著它們是基本粒子，沒(méi)有尺寸的點(diǎn)粒子。
根據(jù)物理學(xué)家目前的測(cè)量結(jié)果，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型粒子都是無(wú)法再分割的基本粒子，它們的尺寸不超過(guò)10^-18米。根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，已知的基本粒子包括如下種類：6種夸克和6種反夸克、3種帶電輕子和3種反輕子、3種中微子和反中微子、8種膠子、光子、W和Z玻色子、希格斯玻色子。再考慮基本粒子的自由度等性質(zhì)，已知的基本粒子總共有61種，它們是構(gòu)成萬(wàn)物的基礎(chǔ)。
超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型
不過(guò)，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型并沒(méi)有給出所有問(wèn)題的最終答案。事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)模型在某種程度上肯定會(huì)崩潰出錯(cuò)，因?yàn)檫@套理論沒(méi)有考慮到引力、暗物質(zhì)、暗能量以及宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱的事實(shí)。
宇宙中一定還有更加本質(zhì)的規(guī)律，也許我們所認(rèn)為的基本粒子其實(shí)是可以分割的。如果我們能讓粒子獲得足夠高的能量，使其波長(zhǎng)足夠短，我們就有望看到目前能量尺度和普朗克能量尺度之間的東西。標(biāo)準(zhǔn)模型不是終極理論，比目前已知基本粒子更小的尺度還有待探索。
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