11分
《量子之境 十日談》
第 2 日
(一)量子世界概說
現代物理學2大支柱是相對論和量子力學。
相對論是從大尺度上來認識宇宙的
(如恆星、星系、星系團等);
量子力學是從小尺度上來認識宇宙的
(如原子及比原子更小的電子、夸克等)。
初識量子世界(一)
古希臘人認為,物質是由「原子」(不可分割的材料)構成的。
所有的物質都是少量不同的基本原料結合而成的,就像拼音文字,
無數詞語都是由很少的幾十個字母組合而成的。
19世紀,科學家發現一些物質,如氧和碳,
都有一種可以識別的最小組成單元,
沿襲古希臘人的傳統,亦稱其為「原子」。
到20 世紀30
年代初,湯姆遜、盧瑟福、玻爾等人,
建立了「原子的太陽系模型」。
人們了解到,原子並不是什麼最基本的物質成分,
它有一個包含著質子和中子的原子核,
核外還繞著-群旋轉著的電於。20 世紀30年代末,
物理學家在研究宇宙線時,
發現了一種叫μ子 (渺子)的基本粒子。
「宇宙線」是從外太空向地球傾瀉的粒子流。
渺子μ 除了重約電子的200倍,其它性質與電子是一樣的。
20 世紀50 年代中期,
1956年美國科學家克萊德·柯萬;弗里德里克·雷因斯等人,
發現了「中微子」。中微子很難找到,
它們很少與其他物質發生相互作用。
中微子能穿過幾百億千米厚的鉛,
其運動幾乎仍不受影響。
從太陽向太空噴發的幾十億個中微子,能時刻穿過人體、穿過地球,
象幽靈一樣瀰漫在宇宙。
默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann1929年9月15日-),美國物理學家。
1969年諾貝爾物理學獎得主。蓋爾曼涉獵的學科極廣,
是一個百科全書式的學者。除數理類的學科外,
對考古學、動物分類學、語言學等學科也非常精通。
1968年,斯坦福直線加速器中心的實驗家們,
用強大的技術,探索了物質的微觀層次,
發現質子和中子也不是基本的,
質子和中子是由更小的粒子構成。
美國物理學家蓋爾曼給它起名叫「夸克」。
實驗證明,第1代夸克,分成「上夸克」和「下夸克」。
「質子」由2上和1下夸克組成,
「中子」由2下和1上夸克組成。
這以後,又發現了4種夸克(粲、奇、底和頂夸克),
還有一個比電子更重的粒子,叫τ子(套子)。
「τ」——Tau(大寫Τ,小寫τ),是第19個希臘字母,
由美國馬丁·佩爾實驗團隊於1975年發現。
另外還有兩個性質與中微子相同的粒子,
叫「渺子中微子」和「電子中微子」。
這些粒子在高能碰撞中產生,不過只是剎那一現,
通常在事物里是很難找到它們的影子的。
每個粒子都有一個反粒子。比如,電子的反粒子叫正電子。
正電子的質量與電子相同,但電荷為+1(電子的電荷為-I)
。
物質與反物質接觸時,會相互湮滅,生成純粹的能量。
物理學家不斷地用越來越大的能量將物質擊碎,
竭力重現大爆炸以來的物質條件。
科學家從碎片里找出許多元素:在大爆炸時刻,
宇宙從『比砂粒還小』的微塵中,爆發出來。
這是些「小而重」的領域:體積很小,質量卻極大。
物理學家現在已經追溯到『百億億分之一米』尺度的物質結構,
而且總結出四種相互作用和一些基本粒子。
基本粒子原是指構成物質的最小單位。
但在夸克理論提出后,人們認識到基本粒子也有複雜結構,
所以現在一般不再提「基本粒子」了。
本文有時仍沿用「基本粒子」一詞,只是為方便而已。
當我們考慮力的時候,我們發現力有許多種形式。
大量證據說明,
不同間事物的相互作用力可以歸結為4種:
(1)強力、(2)電磁力、(3)弱力、(4)引力。
根據作用力的不同,粒子可分為三大類:
強子、輕子、傳播子(波色子)。
《四種基本相互作用和粒子分類簡表》
科學家發現有兩種性質對一切力都是共同的:
(1)在微觀層次,所有的力都會連著一種粒子,
可以把它想象為最小的能量元(力元)。
弱力和強力的最小單元叫傳播子(玻色子)和膠子。
(2)第二個共同點是,力由某種量來決定。
比如質量決定引力如何對粒子發生作用;
電量決定電磁力如何產生作用。
強力和弱力只能在微觀尺度產生作用;
引力和電磁力卻有無限的作用範圍。
謝謝閱讀