編者按: 粒子物理是怎么一回事?“上帝粒子”、夸克、“幽靈粒子”到底是什么?如果給你機會自己動手為粒子物理和宇宙建立模型,會不會對上述知識印象深刻? 那么,試著用樂高積木來描述組成物質(zhì)世界的基本粒子吧!樂高當然不是粒子,但是它可以提供一個有趣又吸引人的類比,幫助人們理解那個微觀世界。雖然這個類比并不能完美地描述自然,但是卻能讓我們用最小的比例了解宇宙的全景。 首先,我們來了解物質(zhì)的構成和模型搭建的規(guī)則:我們周圍的所有物質(zhì)都是由化學元素構成的,每種物質(zhì)都是由某一類獨特的原子形成的。 1.1 原子 古希臘哲學家德謨克利特提出所有的物質(zhì)都可以分成更小的微粒,直到終成為不能分的粒子。他把這種組成物質(zhì)的最小單元稱為原子,在古希臘語中,原子的意思是不可分。 德謨克利特的原子論一直延續(xù)到了18世紀,那時化學已經(jīng)擺脫了點金術的陰影,開始成為一門主流科學。有證據(jù)表明,純化學元素間以質(zhì)量的整數(shù)比發(fā)生反應,可以產(chǎn)生新的化合物,例如,氧和氫以8:1的比例發(fā)生反應,可以生成水(注意,這里的比例指的是原子的總重量,而不是原子的個數(shù))。 ‘ ’英國的約翰·道爾頓提出化學元素是由更小的微粒原子構成的,每種化學元素都是由不同類型的原子構成。直到18世紀末期,人們一直認為道爾頓的新原子論是正確的,但是后來出現(xiàn)了奇怪的放射現(xiàn)象,說明原子并不像它們名字代表的含義那樣不可分,它們可以分成更小的微粒。 元素周期表 19世紀末期,科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多種化學元素,每種都來自一類特殊的原子。就像音樂中增加八度一樣,德米特里·門捷列夫?qū)⑦@些元素按照一定的規(guī)律放入周期表。元素周期表中具有相似性質(zhì)的元素在一起,表示它們有一些共同的結構。但是,如果原子就像希臘語中“原子”的含義那樣不可分,那么怎么會有更小的微粒呢?不久之后,科學家就發(fā)現(xiàn)了比最輕的氫原子還輕的微粒。這些出人意料的新“原子”可能是產(chǎn)生電現(xiàn)象的原因。 元素周期表第一行中的氫(H)和氦(He)在早期宇宙中大量存在,鐵(Fe)之前的所有元素都是來自恒星,其他元素則是恒星死亡爆炸產(chǎn)生的。 下面我們將深入原子內(nèi)部,探究構成每個原子的粒子。 1.2 原子內(nèi)部 約翰·道爾頓的理論告訴我們,世界并不像古希臘理論說的那樣,它不是由一種類型的原子構成的。之后對電子和放射性元素的研究表明道爾頓所說的原子也是由其他粒子構成的。只有理解了原子是由更小的粒子構成的,現(xiàn)代元素周期表才有意義。原子之所以有它們的原子量是因為內(nèi)部有更小的粒子,而它們的反應則來自其他方面。 原子核 它位于每個原子的中心,是由原子核——質(zhì)子和中子構成的。原子核是一些化學元素的放射源。 電子 它們是位于中心原子核周圍的云。電子參與和影響元素的化學反應。原子中電子的數(shù)量決定了化學反應的周期性。 質(zhì)子這個名字最早來源于希臘。中子之所以叫中子是因為它是電中性的。電子這樣命名是因為它們是帶電的原子。 核子 它并不是最終的微粒。它們是由更基本的名為夸克的粒子組成的。每個質(zhì)子和中子都是由上夸克和下夸克組合而成的。 弦 雖然所有的實驗結果表明電子和夸克是最小的粒子。它們不能再由其他微粒組成——它們似乎真的是最基本的粒子。然而,有一些理論認為它們可能是由一些更小的物質(zhì)組成的,這個更小的物質(zhì)被稱為弦。 中微子和輕子:中微子和夸克以及電子一起完善了基本粒子。中微子是由β衰變產(chǎn)生的,中子衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子和一個電子時,同時會伴隨產(chǎn)生一個中微子。電子和中微子組合成了輕子。當時測得輕子比質(zhì)子和中子輕,所以科學家就以希臘語“l(fā)eptos”給它命名,意思是小的、微弱的或微妙的。 1.3 質(zhì)量更大的復制粒子 構成質(zhì)子和中子的上夸克和下夸克,以及電子和相關的中微子只是第1代基本的粒子,質(zhì)量最小。出于某個未知的原因,自然中還包含了兩組稍重的復制粒子,如這里用稍大的積木展示的第2代和第3代粒子。這些粒子只能在非常高的能量下產(chǎn)生,例如那些由粒子加速器生成的粒子,以及只有宇宙生成早期存在的粒子。 上面這12種粒子被稱為費米子,是為了紀念意大利杰出的理論粒子物理學家恩里科·費米。 第一行是上型夸克,電荷 +2/3,粲夸克和頂夸克都比上夸克重一些,這三種粒子都有正電荷,但是電荷只有電子的2/3。 第二行是下型夸克,電荷 -1/3,奇夸克和底夸克比下夸克重一些,它們都是負電荷,電荷只有電子的1/3。 第三行是帶電荷的輕子,電荷+2/3,繆子和陶子除了比電子稍重以外,特性都一樣,這三種粒子都有電荷,習慣上標記為負,一般被認為是帶電輕子。 第四行是中微子,電荷0,三種帶電輕子都有相應的中微子,即電子中微子、繆子中微子和陶子中微子,雖然還沒有實驗能測量它們的質(zhì)量,但是我們已經(jīng)知道它們不會像光子那樣沒有質(zhì)量。 夸克和輕子稍重的復制粒子形成了物質(zhì)的不穩(wěn)定的奇異形態(tài),它們生成的粒子越重,它們衰變成物質(zhì)的更輕形態(tài)的速度越快。最終,所有的物質(zhì)都會衰變,形成上夸克、下夸克、電子或中微子,這也是為什么第1代粒子可以組成宇宙中99.9%的可見物質(zhì)。 搭建積木 隨著研究的深入,無論對像化學元素一樣的一般物質(zhì)還是用粒子加速器生成和宇宙早期中有的奇異物質(zhì)而言,分成3代的12種粒子似乎是形成所有物質(zhì)的真正基礎微粒。 費米子粒子的特殊之處在于,它們在原子內(nèi)部像堆疊的樂高積木一樣排列著,沒有一個積木占有相同的空間。這樣一來,原子中的電子具有不同的能量,會直接導致元素的不同的化學活性。由夸克構成的質(zhì)子和中子同樣擁有不同的能量,會導致原子核更穩(wěn)定或更不穩(wěn)定。這就是這些粒子如何結合在一起,并生成不同特性和大小的原子的原因。 下圖由左至右依次表示這幾種元素:氫、氦、鋰、鈹、硼。 1.4 什么是反物質(zhì)? 科學家預測并觀測到了這12種費米子物質(zhì)粒子每個都有一個鏡像粒子,這些鏡像粒子的表現(xiàn)和物質(zhì)粒子的表現(xiàn)相反。接下來介紹反物質(zhì)的基本粒子。 電子具有負電荷,而它對應的反物質(zhì)是反電子(也叫作正電子),具有正電荷。我們把粒子特性翻轉(zhuǎn)為特殊鏡像的情況稱為電荷反置(C),通過改變電荷把粒子變成了反粒子。粒子和反粒子以完全相反的方式在彼此間產(chǎn)生相互作用。 注:箭頭和e表示電荷反置。在粒子符號的上面加一條橫線,用這個新符號表示它的反粒子。 與物質(zhì)粒子相似,反物質(zhì)粒子有12種。它們的命名是在物質(zhì)粒子的名字前加了“反”字。 第一行為反上型夸克,電荷+2/3。 第二行為反下型夸克,電荷-1/3。 第三行為帶電荷的反輕子,電荷+1。 第四行為反中微子,電荷0。 如今反物質(zhì)可以用粒子加速器這樣的高能環(huán)境中生成和在粒子與大氣碰撞中產(chǎn)生。反物質(zhì)可能在早期的宇宙中是大量存在的,但是早就消失了。物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時會發(fā)生湮滅,通常會產(chǎn)生光子形式的能量。 本期我們送這本書 |
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