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物质构成的最小单元是什么?

2020-12-28  星空读者

物质构成的最小单元是什么?

武汉科学技术馆  10月19日

来源:原理

茶杯、冰块、圆珠笔、绿植、沙发......这些我们日常生活中所熟悉的东西都是由什么组成的?

显然,它们有着不同的材质、颜色和形状,这是否意味着它们是由不同的东西组成的?如果我们能够将它们一直分割下去,是否会发现它们其实都是由一个最小的单元组成的?

一开始,原子被认为是构成物质的基础单元,原子的英文“atom”一词有“不可分割”之意。科学家发现了100多种不同类型的原子,将它们排列在那张悬挂于世界各地化学教室墙上的元素周期表中(今年是门捷列夫提出元素周期表的150周年)。

○  元素周期表中的元素并不是在宇宙诞生后就全部出现的,而是在漫长的宇宙演化历史中,逐渐在不同的物理过程中形成的。| 图片来源:Jennifer Johnson

但原子并非故事的结局,它并不是不可分割的存在。如果将原子进一步分割就会发现,它实际上是由质子、中子和电子构成的。质子和中子组成了原子核,而电子则围绕着原子核旋转。原子核周围的电子会与其他原子中的电子结合,并形成复杂的排列;这种结合正是化学的基础,也是我们周围各种物质之所以形态、性质各异的基础。

然而,质子和中子仍不是不可分割的结构,它们是由被称为上夸克和下夸克的微小组分构成的,质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由一个上夸克和两个下夸克组成。

现在,我们可以回答开头的问题:日常生活中的所有物质都是由三种粒子——电子、上夸克、下夸克——组成的。所有千变万化的不同物质之间的区别都源于这些粒子是如何排列组合在一起的。

宇宙中的粒子

一个有趣的问题是,有没有什么东西不是由夸克和电子构成的?乍听之下你可能很难立即想到这样一个问题的答案。但有一种熟悉的“物质”可能最终会跃入脑海——光。

把光称为“物质”似乎是很奇怪的,但现代物理学已经确定,光实际上与物质很相似:它以有限地的速度传播(约300000km/s),它会受到引力的影响(这是由爱因斯坦广义相对论所预测的),它甚至是由微小的粒子——光子——组成的。

如果连光都是由粒子构成的,那么说“一切事物都是由粒子构成的”似乎是一个合理的猜测。那么除了刚才说到的电子、上夸克、下夸克、光子之外,我们还能找到更多这样的粒子吗?答案是肯定的。自现代粒子物理学诞生以来,科学家已经从宇宙射线和粒子对撞机中发现了大量的粒子。幸运的是,在克服了许多令人费解的难题之后,他们发现这些粒子都是由一小组基本粒子所形成的不同组合。这里,基本粒子是指那些无法由更小的物质组成的粒子,是真正不可再分割的,它们共有17个(不包括反物质粒子):

首先,我们有三个家族,物理学家称为三代,每代都包含了四种物质粒子:两个夸克和两个轻子。在第一代中,我们看到熟悉的上夸克(u)、下夸克(d)和电子(e),以及第四种粒子——电子中微子(ve)。电子中微子是一种非常轻的粒子,它大量产生于太阳之中,由于几乎不与物质相互作用,因此大部分都会直接穿过普通物质。

第二代和第三代的粒子的性质与第一代粒子完全相同,除了它们更加的重。物理学家至今都不知道,为什么会有三代粒子。这非常奇怪,但事实就是如此。

除了6种夸克和6种轻子之外,还有四个所谓的规范玻色子,它们是传递力的粒子。例如,光子(γ)负责传递电磁力,即当两个电子相互排斥时,它们实际上是在交换一个光子。此外,另外三种规范玻色子与另外两种基本力有关:胶子(g)负责传递强核力,W和Z玻色子传递弱核力。(注意,这里没有涉及到的是第四种基本的力:引力)。

2012年,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)发现了第17种基本粒子——希格斯玻色子(质量为125GeV/c²)。这是基本粒子中最有意思的一个:粒子通过与希格斯玻色子的相互作用而获得质量。目前,物理学家仍然在继续研究希格斯玻色子的性质。有些物理学家将它与宇宙暴胀联系起来,有些人则用它来解释物质-反物质的不对称性。

结合爱因斯坦的引力理论,这17种粒子几乎可以解释物理学中所有的观测结果,只有少数天文观测例外。我们在日常生活中遇到的所有事物,最终都可归结于这些粒子之间的相互作用。单独审视这些作用可能非常简单直观,但它们组合在一起就构成了我们所知的一切复杂性。就好比我们的宇宙是一个复杂的机器,其中每个组件都根据最简单的规则行使自己的职责(下一篇文章中,我们将进一步探讨这些规则)。

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