夸克有多小?

先给出答案,夸克要比10的-18次方米还要小。物理学家在能达到某一个大小尺度之后,就会规定出某个尺度大小的单位,以便描述相应尺度的物理。往大了说,光年就是宇宙学家在研究宇宙和星系时提出来的一个单位,它的定义是光在一年内走过的距离。往小了说,微米用来描述细菌,空气尘埃,pm2.5的大小;纳米用来描述DNA,病毒等的大小。

小到原子级别的时候,我们用埃来表示,1埃等于10的-10米,一个原子的大小一般也就零点几埃。为了研究夸克尺度的物理,物理学家们规定出了一种新的单位am,读作阿米,1阿米等于10的-18次方米的大小,对应的就是夸克的尺度。图1. 不同尺度的实体(来源:wiki,Orders of magnitude (length))夸克这么小,我们是怎么知道他们的大小的呢?在粒子物理中,一个实体的大小我们是通过它被撞击的难易程度来衡量的,专业术语叫做“散射截面”,也叫“碰撞截面。

”一个足球的“散射截面”比一个网球更大,而质子的散射截面更要小的多得多,质子的组成部分,夸克和胶子的散射截面比质子还要小。从1992年到2007年,位于德国汉堡的HERA(强子加速器)以非常高的能量撞击亚原子粒子,直接测量出了夸克和胶子的大小。根据粒子物理中的理论(标准模型),夸克应该是无限小的。但这并不意味着它不可以被散射。

当考虑到一些量子效应时,它会和其它微观粒子,比如电子发生相互作用,因而存在一定的散射截面,从而对应一个大小。实验学家花了很长时间去理解他们的数据,想弄明白夸克和胶子在质子中是怎么分布的,最后他们给出了夸克大小的一个上限,就是我们上文所提到的10^-18m。最后让我们想象一下一个夸克到底可以小到什么程度。


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