物质是什么（4）构成原子的更加深层次的微粒
在对物质微观结构的研究中，更加深刻的认识到各种粒子在构成物质的微粒时的作用力的性质。在传统物理学中，力是能够改变物体运动状态的物理量，如我们用力去推一辆小车时，它会加速。著名的牛顿运动定理：F=ma，把力与物体运动的加速度a，物体的惯性质量m联系了起来。我们在经典物理学中还知道，在一段时间内起作用的力可以做功，这个功可以转换成为物体的能量（动能或势能），在后面的相对论介绍中我们可以看到这个能量还可以和物质的质量（重量）、光的运动速度联系起来。
在我们的自然世界中除了经典物理学中对运动作用力外，通常见到的还有电磁力、引力。根据对电磁力的描述，我们知道有电荷力的同性相斥，异性相吸；磁力的同性相斥，异性相吸的特性。电磁力的确是自然界中比较重要的一种作用力，其重要性不仅仅是宏观上带电和磁性物体之间的作用力，更重要的是自然界中的原子能够构成分子，构成形状稳定的物体，靠的就是原子之间的电磁力。而引力，在经典物理学中被称为“万有引力”。的确，自然界中只要有质量的物体之间都有相互吸引的引力。并且，这个万有引力使得宇宙中的星球能够有规律地按照一定的轨道运行。所以，当牛顿等科学家发现了万有引力能够维持日、月、星球稳定的运行轨道时，人们认为终于窥测到了上帝控制世界的秘密。
但是，自然界的物质运动中，是不是已经认识了所有的作用力了？比如在原子核中，同样具有正电荷的质子应该具有相互排斥的，它们是如何紧密地结合成原子核的呢？研究结果是，在原子核的尺度中（大约10-15m）存在着另外一种力——强力，是这种力克服了相斥的电磁力把质子、中子严密地结合成为原子核。强力是一种很奇妙的作用力，它只有在距离小到10-15m尺度上才起作用，而且在2x10-15m~10-15m之间是吸引力，而小于10-15m是排斥力。正是这种强力维持了原子核的稳定结构。而根据量子理论，微粒之间的相互作用力，实际上是微粒之间的更加小的质量粒子的交换过程。如核子（构成原子核的质子、中子）之间的强力，就是核子相互交换介子的过程；电子之间的电磁力，就是电子之间交换光子的过程；连基本的夸克构成核子的结合力，也是交换胶子的过程；甚至把引力的作用，也看成交换引力子的过程。所以，在经典物理学中，通过非接触的场来产生相互作用力的过程，在量子理论中都被认为是相互交换粒子的过程。在经典物理中的相互作用力，在量子理论中被描述成微粒之间的象打乒乓球一样的交换粒子的相互作用。
多么神奇呀！实际上，在原子核中除了核子之间的强力外，还存在着一种弱力，这种弱力的作用产生了一些粒子的衰变现象。如放射性元素在自然状态下会自动地按照一定规律发出某种射线而衰变成为另外一种元素，就是这种弱力的作用产生的。大部分大原子量的元素都具有放射性，如自然界中的铀、镭等矿物就具有放射性。现在，人们弄清了放射元素的射线可以有三种不同的构成成分：一种叫α射线，这是由两个质子和两个中子组成的、质量为氢原子质量四倍的正粒子流；一种是β射线，也就是贝克勒尔发现的射线，它其实就是一种电子流；还有一种射线叫γ射线，这是一种比X射线穿透力还要强得多的射线，它是一种不带电的光子流。到底是什么力量把α、β、γ射线中的粒子从原子核内部抛出来的呢？
直到上世纪30年代，人们对原子核内部有了一个初步了解之后，才发现了支配微观世界规律的另一种新的自然力——弱力。正是弱力引起了放射性衰变现象：如中子衰变成质子、电子和中微子，而且质子也可以衰变成中子、正电子和中微子。这种弱力的作用是粒子之间交换一种比质子质量还要重75倍，为几十亿电子伏的W±粒子（中间荷电玻色子）；弱力的作用距离更小（约10-17m）。质量和电子差不多的粒子，称为轻子，如中微子，μ子，τ子等，轻子不受强力的作用，但是可以受到弱力的作用。如中微子可以轻易地穿过地球，根据计算它甚至可以穿过几光年厚的铅。
就是这些让人眼花缭乱的微粒，在这四种作用力（强力、弱力、电磁力和引力）的作用下构成了我们熟悉的物质世界。经过进一步的研究，科学家提出量子力学理论来描述这些微粒的运动规律。进入亚原子范围，各种微粒的运动规律与我们平常对物体运动规律的认识，也就是经典牛顿力学所描述的规律完全不同。这些粒子的奇异的运动情况需要用现代物理的量子力学的理论来说明。量子力学的理论不仅很好地解释了为什么原子中的电子会以这种层次能级的方式运动，而且也对象电子、光子、质子等亚原子范围的微粒的运动规律进行了描述。对于这些微粒运动的奇异的“波粒二象性”我们在下一节来专门介绍。
可是，人类的好奇心是无止境的。科学家又要探究，如果把微观粒子再粉碎会不会有更小的粒子？电子、质子、中子又是由什么构成的呢？通过现代物理知识知道，原子中除了最基本的电子、质子、中子以外的确还有很多其它类型的粒子，如介子、中微子等等。现在物理学家已经探明的构成物质的不同性质的粒子有几百种，但是原子中除了电子、质子、中子外其余的粒子大都是短寿命的（大约10-8秒~10-28秒,也就是：一亿分之一秒~一千万亿亿分之一秒左右），所以除了的专门的实验中，通过专门的方法科学家才可以捕捉到它们的身影，一般是见不到它们的。
进一步的研究表明，这些粒子，包括构成原子核的质子、中子又可以由更加小的粒子（夸克）构成；夸克是一些性质不同的（由它们的“颜色”“味道”来区分）更加基本的粒子，它们组成其它一些粒子，如质子、中子分别由3个夸克组成。而夸克是一种奇怪的粒子，它并不能够独立存在，而只能够以构成其它粒子的形式存在。等等的这些比原子还小的粒子构成了物质世界的基本“建筑材料”——原子。
早在上个世纪20年代，物理学家就围绕着原子的电子运动的不可预测性背后的意义展开了激烈的争论。大自然内在的本性是不是反复无常的，没有简单的因果关系？上帝准许电子以及其他的粒子无规律地到处乱窜，没有节奏也没有理由？一些微粒的发生就是没有原因的事件吗？或者，这些粒子象是些在海上风浪中漂浮的“软木塞”，在那看不见的微观力的海洋中摇荡？物理学家们建立起来了量子理论来说明这些方面的问题。
量子理论的建立使得人类对物质的特性的认识又大大地前进了一步。虽然到现在量子理论仍然在发展过程中，还有很多问题没有完全解决，但是量子论作为物理学的一个实用的分支，而且由此产生的一些实用技术取得了辉煌的成功。它使我们有了激光、电子显微镜、半导体和核能。它一举解释了化学键、原子以及原子核的结构，电流的传导，固体的机械性质以及热性质，坍缩恒星的进度，……等等一大堆其他的重要物理现象。量子论现已深入到大部分科研领域，不仅仅是物理学，包括生物学、医学、化学等等领域都广泛应用到量子理论。现代物理对物质特性的深入研究不仅加深了我们对物质特性的认识，而且也会给人类的生活带来许许多多的好处。
对这些组成物质的微粒的运动性质的描述是现代物理所研究的主要问题，也是量子理论建立的基础。现代物理学的量子理论是人类认识物质的微观世界的一个新的最重要的理论。
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