423、小到無法觸及、快到轉瞬即逝的微觀寶貝

初識量子世界（二）

「小到無法觸及；快到轉瞬即逝」

讓我們來探索你我身心的更深邃、更細微處，

我們是否                          

會面臨一個全新的微觀世界？

在科普中，我們已經知道，一切物質是由原子組成，

並且，原子內大部分空間是空蕩蕩的。

原子（原子核及核外電子云），

如同螺旋槳葉片所形成的盤面那樣在飛速旋轉著。

原子非常小，

但是物理學家所關心的卻是比原子還要小的亞原子世界。

當我們把注意力集中在這種微小時空的時候，

我們會「看」到一個剎那生滅的奇景。

無數粒子不斷湧現，

其中只有少數粒子壽命很長，

大多數粒子只能存在極短時間。

每一個粒子都以某種方式與其他粒子相互作用著。

在這個極微時空里，

我們將學習物質世界的速度極限；

我們將發現空間與時間的糾纏；

我們還將學習質能互換等量子世界的規律。

這些源於20世紀的量子力學(極小領域的物理)

和狹義相對論(極大領域的物理)，將以

全新的視角改變人們觀察世界的方式，

並給我們帶來全新的視野。

下面，讓我們繼續認識亞原子世界，

並從中享受它所帶來的盎然天趣： 

一  粒子有多小？

低頭看一下自己的身體，

那鮮活的肌膚全是由細胞組成的，

細胞內有許多生物分子，

生物分子內，又有許多原子，

原子很小：1000 萬個原子排成一列， 

還沒有1英尺的/10 長。

1英尺等於1米。1米（3尺）的 1/10，

即不到1寸那麼長。

二、粒子家族簡介

在19世紀20年代，人們對於亞原子世界，

只知道有電子和質子，

並認為電子只是在原子內部帶負電的點，

電子也能沿著通電流的導線作定向移動。

質子的質量比電子大將近2000倍，

並帶正電，質子位於原子的中心，

束縛著電子並使之運行。

當時人們設想質子也存在一個核，

現在知道確實如此，

而且質子群以巨大能量，不斷從外層空間湧入地球，

從而形成「宇宙輻射」。

光子（即光的粒子），

是在1926年，為愛因斯坦研究並命名，

當時很多人並沒有把光子當作粒子。

因為光子沒有（靜）質量，

並且它極易產生和湮滅。

不過數年後，物理學家認識到，

這個沒有靜質量的光粒子，

同樣可以被歸為粒子之列。

在1924年到1928年，

物理學家們提出了一些令人震撼的思想，

這些思想有:

物理學家發現不僅是光，

所有的物質都有波動性；

微觀世界的基本規律是概率性的統計規律

而不是確定性的規律；

對於物質的可測量屬性，

其測量精確程度存在著概率性的極限，

並預言任何粒子都有自己的反粒子；

更為令人驚異的是，

物理學家發現，單個電子或光子， 

能夠以兩種 甚至更多不同的方式運動，

打個宏觀世界的比喻不確切的比喻：

好象你能同時既向北又向西地散步；

或者同時在相距遙遠的兩座城市裡品嘗咖啡；

還有，很重要的一條原則，

即，沒有任何2個電子，

能夠同時處在完全相同的狀態……

當科學延展到這種

「小到無法觸及； 快到轉瞬即逝」的亞原子世界時，

事情就變得如此新鮮而奇異：

「固體物質大部分是中空的； 

時間是相對的；   

質量在碰撞前後將會獲得或失去；

並且無論輸入多麼完備的信息， 

其結果都是不確定的。 （參閱《寫給所有人的量子物理》PDF版第5頁）

三、粒子的標準模型

如您所知，今天物理學家們已經認識到，

夸克是組成質子、中子乃至所有粒子的基本粒子。

之後，物理學家又提出量子世界的標準模型。

這一模型，

包括了電子、光子

以及6 種夸克在內的 24 種基本粒子，

『標準模型』

可以對所有已觀測到的粒子

和它們之間的相互作用進行說明。

標準模型中的粒子有6種是夸克

（圖中用紫色表示），

有6種是輕子（圖中用綠色表示）。

左邊的3列中，每一列構成物質的一代。

再右邊一列是規範玻色子，右下角是希格斯玻色子。

現在讓我們在心中重複一遍：

標準模型包含了多少基本組分？

從上表可以看出，標準模型中所包含的

基本組分有6種夸克，6種輕子，

再加12種玻色子（媒介粒子），共計24種。

12種玻色子是

（1）膠子- 強相互作用的媒介粒子，8種；

（2）光子- 電磁相互作用的媒介粒子，1種；

（3）W 和 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子，3種。

上述所說24種粒子，不包括引力子

（一種假設的引力粒子）

以及在2012年所觀測到的『希格斯玻色子』。

附圖（原子構成 圖解） 

anyu.iciba.com 謝謝閱讀。

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