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初识量子世界(二)
“小到无法触及; 快到转瞬即逝”
让我们来探索你我身心的 更深邃、更细微处, 我们是否 会面临一个全新的微观世界? 在科普中,我们已经知道, 一切物质是由原子组成, 并且,原子内大部分空间是空荡荡的。 原子(原子核及核外电子云), 如同螺旋桨叶片所形成的盘面那样 在飞速旋转着。 原子非常小, 但是物理学家所关心的 却是比原子还要小的亚原子世界。 当我们把注意力 集中在这种微小时空的时候, 我们会“看”到 一个刹那生灭的奇景。 无数粒子不断涌现, 其中只有少数粒子寿命很长, 大多数粒子只能存在极短时间。 每一个粒子 都以某种方式与其他粒子相互作用着。 在这个极微时空里, 我们将学习物质世界的速度极限; 我们将发现空间与时间的纠缠; 我们还将学习质能互换等 量子世界的规律。 这些源于20世纪的量子力学 (极小领域的物理) 和狭义相对论(极大领域的物理), 将以全新的视角 改变人们观察世界的方式, 并给我们带来全新的视野。 下面,让我们继续认识亚原子世界, 并从中享受它所带来的盎然天趣:
一 、粒子有多小?
低头看一下自己的身体, 那鲜活的肌肤全是由细胞组成的, 细胞内有许多生物分子, 生物分子内,又有许多原子, 原子很小: 1000 万个原子排成一列, 还没有1英尺的1/10 长。 1英尺等于1米。1米(3尺)的 1/10, 即不到1寸那么长。 二、粒子家族简介
在19世纪20年代,人们对于亚原子世界, 只知道有电子和质子, 并认为电子只是在原子内部带负电的点, 电子也能沿着通电流的导线作定向移动。 质子的质量比电子大将近2000倍, 并带正电,质子位于原子的中心, 束缚着电子并使之运行。 当时人们设想质子也存在一个核, 现在知道确实如此, 而且质子群以巨大能量, 不断从外层空间涌入地球, 从而形成“宇宙辐射”。 光子(即光的粒子), 是在1926年,为爱因斯坦研究并命名, 当时很多人并没有把光子当作粒子。 因为光子没有(静)质量, 并且它极易产生和湮灭。 不过数年后,物理学家认识到, 这个没有静质量的光粒子, 同样可以被归为粒子之列。 在1924年到1928年, 物理学家们提出了一些 令人震撼的思想, 这些思想有: 物理学家发现不仅是光, 所有的物质都有波动性; 微观世界的基本规律 是概率性的统计规律 而不是确定性的规律; 对于物质的可测量属性, 其测量精确程度 存在着概率性的极限, 并预言任何粒子 都有自己的反粒子; 更为令人惊异的是, 物理学家发现, 单个电子或光子, 能够以两种 甚至更多不同的方式运动, 打个宏观世界的比喻 (不确切的比喻): 好象你能同时 既向北又向西地散步; 或者同时在相距遥远的 两座城市里品尝咖啡; 还有,很重要的一条原则, 即,没有任何2个电子, 能够同时处在完全相同的状态……。 当科学延展到这种 “小到无法触及; 快到转瞬即逝”的亚原子世界时, 事情就变得如此新鲜而奇异: “固体物质大部分是中空的; 时间是相对的; 质量在碰撞前后将会获得或失去; 并且无论输入多么完备的信息, 其结果都是不确定的。” (参阅《写给所有人的量子物理》PDF版第5页)
三、粒子的标准模型
如您所知, 今天物理学家们已经认识到, 夸克是组成质子、中子 乃至所有粒子的基本粒子。 之后,物理学家 又提出量子世界的标准模型。 这一模型, 包括了电子、光子 以及 6 种夸克在内的 24 种基本粒子, ‘标准模型’可以对所有已观测到的粒子 和它们之间的相互作用进行说明。

标准模型中的粒子 有6种是夸克(图中用紫色表示), 有6种是轻子(图中用绿色表示)。 左边的3列中, 每一列构成物质的一代。 再右边一列是规范玻色子, 右下角是希格斯玻色子。 现在让我们在心中重复一遍: 标准模型包含了多少基本组分? 从上表可以看出, 标准模型中所包含的基本组分有 6种夸克,6种轻子,再加 12种玻色子(媒介粒子), 共计24种。 12种玻色子是 (1)胶子- 强相互作用的媒介粒子,8种; (2)光子- 电磁相互作用的媒介粒子,1种; (3)W 和 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子,3种。 上述所说24种粒子, 不包括引力子 (一种假设的引力粒子) 以及在2012年所观测到的 ‘希格斯玻色子’。
附图(原子构成 图解)
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