粒子物理学家可能看起来像一堆干巴巴的东西,但它们也有乐趣。例如:为什么会有“奇异夸克”这样的东西?但当涉及到基本的核力量时,它们并不会四处乱动:自然界中最强大的力量被简单地称为“强力”,而正是这种力量将宇宙维系在一起。 要找出强作用力是什么,我们需要对物理学家所谓的基本粒子有一个基本的了解。让我们从一个原子开始例如氦。一个氦原子有两个电子两个中子和两个质子,它们共同组成原子核。对于大多数高中化学课来说,这是微小颗粒的终点。 但是我们可以把视角放得更远:这些质子和中子是由一种叫做夸克的粒子组成。夸克被称为基本粒子,因为它们不能被进一步分裂。它们是小的粒子了。但自然界中却存在两种基本粒子,另一种是轻子。夸克和轻子各有六种“味”,每一种都有其对应的反物质。 到目前为止是什么力量将整个宇宙维系在一起还存在很多未解之谜,其中最重要的一个我们称之为标准模型,是关于粒子物理的所有理论。这些部分是基本的力量。有两种力量可能是我们熟悉的:引力以及电磁力,引力是有质量的两个粒子之间相互吸引的力,电磁是有电荷的两个粒子之间相互吸引或排斥的力。另外两种力被称为核力,我们对它们并不是非常熟悉,因为它们只发生在原子尺度上。它们被称为弱力和强力。弱力在电子和中微子(另一种轻子)之间起作用,当然,它是我们在这里要讨论的强大的力。 是什么力量将夸克结合在一起,就像质子和中子一样形成了强子?物理学家首先构想了这个力的存在,以解释为什么一个原子的原子核可以有多个带正电荷的质子,并且它们仍可以结合在一起。如果我们曾经玩过磁铁,我们就会知道正电荷总是会击退另一个正电荷。最终,科学家们发现,强大的力量不仅把质子聚集在原子核中,而且还把夸克聚集在质子本身。这个力实际上来自一种叫做玻色子的力载体粒子。(我们一定还记得2012年希格斯玻色子的发现吧?)施加这种强大力量的特殊玻色子被称为“胶子”,因为它把原子核“粘合”在一起。 这就是强大的力量迷人的地方:它不像电磁力,当我们把两个带电粒子分开时这种强力会减小,以至于限制了两个夸克的距离。一旦它们达到那个极限,那就是魔法发生的时候:它们分离所需的巨大能量被转换成质量,它遵循爱因斯坦著名的方程E=mc2,这就是宇宙中最强大的力量,这种力量足以将能量转化为物质,也就是我们所知道构成物质的东西。 |
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