宇宙中有比电子更小的物质存在吗还有哪些更小的存在？那颗孤独的电子

宇宙中有比电子更小的物质存在吗？还有哪些更小的存在？科学所研究的物质世界可分为宏观世界和微观世界。微观世界有很多粒子，如中子、质子、光子、电子、正电子、中微子、介子、超子等等。一般认为，轻子和夸克是基本粒子，而电子属于轻子，因此，很多人认为电子是宇宙中最小的物质。电子，带有负电，其电量是最小单元，常用e表示。那么，电子是不是最小的物质呢？答案，是否定的。

虽然，基本粒子有很多种，但是它们之间质量的差别很大。我们都知道，原子由中子、质子、电子构成，基本粒子中，质子和中子的质量比较大，质子的质量是电子质量的一千多倍。但是，基本粒子中的中微子只有电子质量的万分之一，而光子静止时的质量更是为0。所以，电子不是这个宇宙中最小的粒子。

关于现在所认识的“基本粒子”到底是不是最基本的，物理学家们正在不断的深入研究和 探索 。拿超弦理论来说，或许宇宙中根本没有粒子，只有弦在空间运动，各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。或许，宇宙万物，一切都是能量，一切都源于能量。

量子比电子更小。

这可能是科学理论对于《道德经》里“道生一，一生二，二生三，三生万物”的最好解释了。惠勒解释说为什么所有电子都是相同的电荷和质量，因为它们是同一个电子。这同一个电子，组成了万物，组成了你我。

听起来是莫须有的孤独。只有它来回穿梭，看到过过去也看到过未来。你一定很辛苦吧，也一定很骄傲自己的作为吧？但是别停下来哦，世间还有这么多反反复复轮回的喜怒哀乐等着你去传递呢。霍金说人类在未来十年就能证实平行宇宙的存在。你以为平行宇宙有着另一个相似的你，其实不过是撞见了自己的剪影。我们也都是那颗电子的影子吧。

私以为，有些科学理论，是没有办法被证实的了。就算单电子宇宙假说有着数学上的推导，但是没有办法见证一场创世就没有办法被证实。宇宙的神奇与古怪，远远超于全人类的想象力。相反，科学对大自然的细微解释，反而更添加了自然的浪漫与吸引力。

总是听到有人说，不敢过于沉醉地看天空，会感到自己作为人类一员在世上的毫无存在感。在黑漆漆的毫无人类存在光的地方，抬眼望天，漫天的星星，闪耀的星河。那么大的一个个星球，上面又会存在多少我们这样不知好歹的生物。又会同时有多少地球上的生物，和我们一样，抬头看着天，沉醉于其中啊。

我觉得宇宙依然是宇宙，无穷无尽。不要以为把银河系缩小成一个电子就可以把宇宙的大小给比较出来，即使是把现今人类所知的宇宙直径960亿光年比做一个电子，宇宙依然是无穷无尽。不能拿任何东西去比较宇宙的大小。宇宙既是人类的希望又是人类的绝望，因为它无穷无尽！

其实人很难能够感受到1亿和10亿的区别，因为数字是在太大了，所以关于这个问题我们做一个简单的计算，这之后我们用一个比较形象的比喻来理解一下，银河系到底在宇宙中属于什么样的一个量级。

银河系的直径是10万光年，也就是9.4607*10^20m。因为我们只在量级上作比较，为了方便计算，所以可以大约把银河系直径看成是10^21m。我们并不知道宇宙有多大，我们只知道可观宇宙直径是930亿光年，也就是8.7985*10^26米，同样为了方便计算，我们可以视为10^27m。所以，可观宇宙的直径是银河系直径的10^6倍。

电子的直径10^-15m，所以如果把银河系缩到电子的尺度，那可观宇宙就是10^-9m。这也就是说，可观宇宙大概就只有1纳米。不过这是全宇宙，这只是可观宇宙。而且我们只是按照直径进行比较，实际上我们是生活在三维的，大小的比较其实更直观。如果把一块银河系看成是一块方糖，我们设定一套房子使用面积是100平，高是3米，那体积就是300m^3，那可观宇宙就得有33.3亿套房子空间的总和。而这也只是可观宇宙，要知道宇宙还在时时刻刻以超光速的速度在膨胀。

所以，其实银河系在宇宙中也是很小很小的，可能说是一颗沙子都有点太过了。

单电子宇宙理论，由约翰惠勒在1940年春天打给理查德费曼的电话中提出，该理论声称，所有的电子和正电子实际上是唯一一个电子在时间中前行并回溯的结果。这个想法的实质基于电子在世界线中的时空轨迹。惠勒认为，所有的电子可能是唯一一个电子在其自身时间线中在整个时间线里复杂循环所形成，而非每个电子都有它们自身的世界线。截取整个宇宙时间线的任一时刻，这个电子会因为自身时间线在宇宙时间线中循环而被截取很多次，并且全都是这个电子。在被截取的这个时刻，一半的世界线会在时间中向未来行进，另一半会在时间中向过去行进。惠勒说向过去行进的可能是电子的反物质，正电子。实际观测到的电子要远远多于正电子，理论上也是这么认为的。费曼提到，他和惠勒一起提出了这个看法。惠勒推测，可能有未被观测到的正电子隐藏在质子中。

1940春天，物理学家约翰·惠勒灵光一现，他给理查德·费曼打了电话：“我知道为什么所有电子都具有相同的电荷和相同的质量了，因为它们都是同一个电子。”惠勒描述的这种方法是单电子宇宙的想法：宇宙只存在一个电子，并且电子在时间的两个方向来回移动，最终在两个方向上穿越宇宙的整个过去和未来，并且每次通过时都与自己进行无数次互动。利用这种方式，它以无数个电子的表观充满了整个宇宙。当电子逆着时间方向流动时，它是一个正电子，这是电子的反物质对应物。

我们是否应该认真对待惠勒的想法值得商榷。然而，费曼确实非常认真地对待了至少一个方面：反物质作为时间反转物质的数学等价性。事实上，这个观点正是瑞士物理学家厄恩斯特·斯蒂克尔堡在1930年代首次提出的。但是惠勒的“单电子宇宙”的想法启发了费曼将反物质表示构建到他的路径积分和随后的量子力学时空解释中，这为他赢得了1965年的诺贝尔物理学奖。

单电子宇宙的灵感来自于一个困扰惠勒的关于电子的奇怪事实：它们都是相同的，完全相同的电荷、完全相同的质量、完全相同的一切，对此没有令人满意的解释。惠勒的观点是，如果电子表现得好像它们是相同的，那么它们也许达到了相同实体的程度。

让我们将电子视为它的世界线，它作为一条穿越时空的线而存在，而不是作为一个点状粒子在某一瞬间存在，点状粒子只是这条世界线的一部分。当电子被光子散射时，电子世界线的方向可能会发生改变。如果一个电子可以在时间上改变它的路线，那么它的世界线看起来就像许多“之”字形。在这一点上，同一个电子就可以拥有许多实例。如果一个电子的世界线来回弯折10^80次，那么宇宙看起来就像有那么多电子一样。

移动的带电粒子也会产生电流，该电流的方向或符号取决于带电粒子的运动方向和电荷。例如，如果一个电子向左移动，它会产生电流Ⅰ，而它的向右移动则会产生相同强度的电流，但符号相反-Ⅰ。同样，向左移动的正电子也会产生电流-Ⅰ。因此，无论是反转电子的运动方向，还是通过将其变成正电子来赋予它相反的电荷，都会得到相同的效果。实际上，反转粒子的运动方向可以看成是时间坐标的“倒放”，因此物质反转时间与反物质的效果是相同的。

然而，实际情况更为复杂。在与狭义相对论相一致的量子场论中，所有粒子必须在我们所谓的CPT变换下对称。C是电荷共轭，T是时间反转，P是奇偶反转。所以，如果你同时做出所有这些改变，一个粒子最终会回到它开始的地方。但是，如果你只做CP变换，你必须再次反转时间T才能回到开始的地方。因此，这意味着CP变换会使对象时间T反转，所以这相当于做了一个T变换。

电荷反转将一个粒子变成了它的反物质对应物，奇偶性反转仍然使它成为反物质，CP变换将物质变成镜面对称的反物质，所以T变换必须做同样的事情。在这些基本对称性的意义上，反物质是时间反转的物质。我们已经看到将反物质表示为时间反转物质对于简化量子场论非常有用，它可以大大减少费曼图的数量。

惠勒的单电子假设存在一个大问题，那就是它预测会有等量的电子和正电子。毕竟，当一个电子到达时间的尽头时，它需要作为正电子再次折回才能再拥有更多的电子。但很明显，电子比正电子多得多。

这个假设是，宇宙中的所有电子，可以看做是一个电子在时空中运动的结果；并且这个电子在时间中既能“向前”也能“向后”移动。跟广泛流传的版本稍有区别的是，这里并没有说所有物质都是这个电子搞出来的。其实硬要说的话，比较严谨的版本应该是所有费米子都是一个在时空中来回运动的费米子（这里费米子仅指夸克和轻子，质子这种还有微观结构的就不直接算在里面了）搞出来的。这里“所有费米子”这个概念就比较好的涵盖了我们常规认识上的物质。（当然要是哪个物理意识好的同学说他已经习惯把光子胶子之类的玻色子也当做物质来看了……当我没说。）这个猜想，基于以下的三个事实/猜想1. 对于某种粒子（例如电子），任意两个个体是完全相同的（交换两个电子得到的新系统跟原系统在物理上完全等价。不过鉴于是费米子，波函数会多个负号）【毫无争议的事实】2. 物质和反物质的量是一样的，或者差距在一个费米子之内【毫无实验根据的猜想】3. 所有费米子可以用一个统一的场来描述，且从x运动到y的粒子等效于从y运动到x的反粒子，这里xy都是四维时空坐标【争议不大的事实】首先看毫无争议的事实。这个……就是个事实……我们看到的世界碰巧是这样的。实际上，这个“宇宙中也就那么一个电子”的猜想常常被用来解释为什么每个电子都长得一样……再说说猜想的部分。这里物质的“量”首先指数量。质量和能量之类的比较麻烦，就先不讨论了。这个猜想的必要性其实很好理解：如果一个粒子在时空中来来回回，对于任何一个时间，此时出现的向时间“前”“后”运动的粒子必然是一样多（或者只差一个）的。而根据第一个事实，这两种运动方式分别对应物质与反物质。当然啦，天文学上的观测表示，看到的反物质还是有点少。（为什么只能在宇宙里找反物质？请思考地球上要是反物质多了我们是怎么活下来的……）说点题外话，物质和反物质的量如果一样的话，会是一个非常让物理学家高兴的结论，因为它对称……（当然也因为可以让大爆炸之后的物质/反物质生成显得自然些之类的原因）然后，重要的部分来了：为什么一个反粒子可以等价于一个在时空中反向移动的粒子呢？这个就要谈谈费曼的贡献了。（之前有人提到这个一个电子创造世界的猜想其实是Wheeler提的……如果这是事实，那费曼的冠名估计是因为费曼提出了这个等价性。）在这之前，我们先花三分（小）钟（时）学习一下量子场论。为什么需要量子场论？一个直接的答案是（看起来万能的）量子力学不能严谨的处理很多问题，例如粒子的产生/湮灭。然后就有人脑子一抽，搞了个二次量子化：于是粒子们就从淳朴的波函数变成了一个“场”里的激发态。这一套理论很漂亮，各种对称性都一眼就看得出来，粒子产生/湮灭也非常自然……但是计算起来很蛋疼。一个（并不）非常简单的例子就是传播子（propagator）。传播子的物理意义就是粒子（这里的粒子包括反物质粒子）在时空中一点x和另一点y间移动的概率（准确的说是probability amplitude来着？算了不抠细节了）。这个算起来还不算太难，但是结果很不好看：必须要分类讨论xy间时间上谁先谁后的两类情况，而这两种的算法（准确的说，计算时在动量空间中积分的路径）是不一样的。更麻烦的是，两种情况物理意义也不一样：如果x在y之前（这里指时间上），那么粒子从x运动到y；如果y在x之前，粒子从y运动到x。物理学家们表示很蛋疼，但是也没什么办法；毕竟这个问题是因果律所要求的。费曼也很蛋疼，但是他有（脑）办（洞）法（大）。（搜索Feynman propagator有真相）费曼一拍脑门，选了一条非常奇葩的积分路径，使得积分在两种情况下的表达式是一样的；并且这个玩意的形式对于交换两点坐标是对称的。这样子计算看起来容易了一点。有了传播子，该算点现实的东西了。散射截面是个永恒的课题；但是散射截面同样非常难直接算。再一次，费曼提供了一个好思路：画图。通过（一点也不）简单的数学推理，一个散射过程的微扰展开可以用一系列费曼图来表示。每一个图中每个内部顶点对应于一次相互作用。对于这些相互作用发生的时空坐标进行积分，就可以得到相应的概率振幅；积分的被积函数主要由这些顶点间的传播子组成。这差不多就是费曼图1.0版。听起来是不是很简单？（我并不这么认为。）但是实际操作起来就是另一回事了：由于粒子种类太多（反粒子也是要考虑的），再加上从一个顶点运动到另一个顶点必须要保证两点之间的时序正确，实际计算上可以说是依旧蛋疼。然后费曼又拍脑门了：反正我们的传播子从x到y和从y到x写出来的形式是一样的，那我不管怎么说先算一个x到y，如果时序错了我就说其实是y到x呗？但是这里有个大问题：一个电子从这个点跑到那个点和从那个点跑到这个点，电荷啊自旋啊什么的显然不太一样……然后费曼接着忽悠：那我不管怎么说先算一个电子从x到y，如果时序错了我就说其实是个正电子（似乎还需要是自旋相反的，不过这个也可以很容易满足）从y到x呗？（这个可以做到是因为粒子和反粒子的传播子形式是一样的。）这流氓的逻辑其实相当严谨，而且采用了这个思路之后一举解决了计算上处理反粒子和因果律的两大问题，计算大大简化，费曼图升级为2.0版——也就是我们今天还在用的这个版本。当然实际计算上基本是在动量空间里进行，这就是后话了。一句话总结起来，就是费曼（数学地）证明了反粒子和在时间中逆向运动的粒子是等价的。这个等价性，只要量子场论是正确的，就是正确的。（鉴于量子场论也只是个唯象理论，真正的物理规律还是否满足这个规律也不好说……不过确实很有可能是满足的，鉴于SM在不太高的能量下表现很好。）有了这个等价性，我们可不可以说反粒子“就是”在时间中逆向移动的粒子呢？其实是可以的……因为说白了这也就是个定义的问题；这个解释是自洽的，并且可以准确的解释现实，所以就可以用。这跟严格意义上其实不存在“力”这个东西但是我们用这个定义用的很舒服是一个道理。最后提一句，这个理论看起来很厉害，但是也仅仅是看起来而已……它给了我们一个有趣的理解宇宙的思路，但并没有提供任何改造宇宙的思路，所以说，大家激动一下，就可以洗洗睡了。我感觉这个理论在物理学界并没有任何的冲击性……不过费曼关于反粒子等效于时间逆流的粒子的结论倒是相当优雅且富于实用价值。

如果地球等于电子的大小，那么宇宙有多大？但这并不容易回答，因为科学家没有关于宇宙有多大的准确数据。几乎可以肯定的是，宇宙诞生于138亿年前，人类可以观测到的宇宙半径约为465亿光年。为什么要强调可观测性？因为以现有的人类技术，人类只能观测到这个范围内的宇宙。知道了宇宙的大小，加上银河系和电子的大小，通过简单的数学运算就可以知道等比例的答案。银河系是一个星系，真的很大。银河系中至少有1000亿颗恒星，太阳只是银河系中的一颗恒星。在这个广阔无垠的宇宙中，至少有数万亿甚至10万亿个星系，但人类只观测到了1000多个星系。

现在没有准确的答案，因为观测误差真的很大。银河系的边界是什么，我们还没有一个公认的说法。根据科学家公布的相关数据，银河系的直径约为10万至20万光年。然而，人们普遍认为银河系的直径约为16万光年。至于电子，它们是构成原子的粒子。地球上的一切都是由原子组成的，原子可以分为原子核和核外电子。原子核由中子和质子组成，原子核占原子质量的99%以上，说明电子很小。科学家通过实验确定电子的静止质量为9.1×10-31kg，仅为质子质量的1/1842。电子不仅质量很小，体积也很小。电子的直径约为10-15米。知道了上面的数据，接下来就好办了。

换算单位简单计算表明哈勃体积的直径约为银河系直径的58万倍。如果银河系的直径等于电子大小，那么此时的宇宙有多大？直接把电子直径扩大58万倍，就可以知道此时的宇宙有多大。那么一个电子的大小是多少？10-15米，客观测量宇宙？920亿光年！哈勃体积是银河系的465，000倍，似乎不算太大。请注意这是直径。如果是体积，那就是另一回事了。这么简单，46.5万个电子就是宇宙缩小了的尺寸！

只有当角度大于1度时，宇宙才是一个有大小的空间，当等于或小于1度时，才趋于开放和无限。所以即使哈勃体积缩小到0.00000000465m，一个无限大的宇宙直径缩小465000又有什么区别呢？这是一个标准原子内部的模型，电子在不同的轨道上，但是这个不动的图片无法展现电子的运动方式！里面真正的原子可能是这样的！是不是很莫名其妙？没错，电子就是这样，出现的地方是随机的，电子能级的升降几乎控制了整个世界。

电子只能在一个以上的地方。海森堡测不准原理揭示的是，电子具有一种云状结构。这就好像一根质量弦在一个康普顿波长的平方范围内展开。为了想象这个过程，拿一支铅笔，或者任何细长的物体，在你的眼前快速地来回移动它。它看起来就像物质线在一个区域上分散开来，并且它变得像云一样。这种云状的外观是电子在科学测量中看起来的样子。

即使电子是云状的，整个云仍然占据一个确定的区域;实际上，它是一个弯曲的区域，就像环面一样。此外，类似云的性质特别指电子的质量。电子的电荷存在于整个电子表面，这就是为什么引力比静电和磁力弱得多。电子的电荷不受海森堡测不准原理的约束。

如果我们质疑我们的时间观察电子在一个地方(如在手指上一个C原子)和假设一个极小期的检测,它完全有可能观察到另一个地方(如Ca原子在股骨)在一个很小的时间间隔之后,又一次在一个完全不同的地方(如H原子在一个雨水滴在云)后一段时间。我的意思是只有普朗克常数，一个基本的，微小的时间单位，可以限制我们的观测频率。除此之外，我看不出为什么在这些地方不需要复制的情况下就不能观察到电子。

一个电子永远不会超过一个位置。如果你测量位置，在A处找到它，你永远不会在b如果一个电子可以出现在不止一个地方处找到它。这意味着它永远不会在一个以上的地方。在测量之前，它的位置只有一个不确定度。如果你不知道火车是准点还是晚点，这并不意味着它会两次到达。是准时还是迟到，只是你不知道。

在双缝实验中，你永远不会在两个缝都检测到它。顺便说一下，电子双缝实验只不过是一个gedanken实验。电子的波动特性不是由双裂纹确定的，而是由晶体栅格散射确定的。为了做一个双缝实验，你需要大约一个波长间隔的缝。电子的波长是按原子大小的顺序排列的。你不能制造仅相隔一个原子的裂缝。前段时间，有人提到最近已经完成了。我不知道细节，但对我来说，这甚至不能令人信服。在这样的小缝中，缝的边界的影响是重要的。晶体网格的散射是令人信服的。