粒子世界的纷繁变化足以让我们目瞪口呆.docx
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1、第三十五章:粒子世界的纷繁变化,让我们目瞪口呆!既然是量子力学科普书籍,自然离不开谈粒子。那么目前我们发现了多少种粒子?都是那些?它们各自的特性是什么?一起来看看吧。我们现在所学习的量子力学体系叫标准模型。标准模型(英语:Standard Model, SM)是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。到目前为止,几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论,主要是因为它并没有描述到引力,这个我在变化一书中就分析过原因,在这里就不说了。我们说本章要介绍粒子世界,主要是介绍基本粒子。不包含分子,原子这些内容。在标准模型理论里共6
2、1种基本粒子(见表)包含费米子及玻色子。费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理(这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态)的粒子;玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单来说,费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。我们就根据上图所示的内容,一 一为大家介绍。首先是夸克。上面说了根据特性分为三代。如下图。夸克(英语:quark)是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来;只能够在强子里面找到夸克。因为这个
3、原因,人类对夸克的所知大都是来自对强子的观测。所有的中子都是由三个夸克组成的,反中子则是由三个相应的反夸克组成的,比如质子,中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克有六种“味”,分别是上、下、粲、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在宇宙中很常见,而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如宇宙射线及粒子加速器)。夸克有着多种不同的内在特性,包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型
4、中,夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子,基本相互作用有时会被称为“基本力”(电磁、重力、强相互作用及弱相互作用)。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。通过上面的图,就可以看出这点。夸克每一种味都有一种对应的反粒子,叫反夸克,在对应的夸克符号上加一横作为标记,例如u代表反上夸克。跟一般反物质一样,反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋,但两者的电荷及其他荷的正负则相反。夸克模型分别由默里盖尔曼与乔治茨威格于1964年独立地提出。引入夸克这一概念,是为了能更好地整理各种强子,而当时并没有什么能证实夸克存在的物理证据,直到1968年SLAC开发出深度非弹性散射(
5、英语:Deep inelastic scattering)实验为止。夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到;而于1995年在费米实验室被观测到的顶夸克,是最后发现的一种。夸克的自旋为12,因此根据自旋统计定理,它们是费米子。它们遵守泡利不相容原理,即两个相同的费米子,不能同时拥有相同的量子态。这点跟玻色子相反(拥有整数自旋的粒子),在相同的量子态上,相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同的是,夸克拥有色荷,因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系,而形成的复合粒子,叫做“强子”。在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”;除了这些夸克,任何强子都可以含有无限量的虚(或“海”)夸克、反夸克
6、,及不影响其量子数的胶子。强子分两种:带三个价夸克的重子,及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。最常见的重子是质子和中子,它们是构成原子核的基础材料。我们已经知道有很多不同的强子。它们的不同点在于其所含的夸克,及这些内含物所赋予的性质。基本费米子被分成三代,每一代由两个轻子和两个夸克组成。第一代有上及下夸克,第二代有奇及粲夸克,而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终,又有有力的间接证据支持不会有超过三代。代数较高的粒子,一般会有较大的质量及较低的稳定性,于是它们会通过弱相互作用,衰变成代数较低的粒子。在自然中,只有第一代夸克(上及下)是常见的。较重的夸克只能通过高能
7、碰撞来生成(例如宇宙射线),而且它们很快就会衰变;然而,科学家们相信大爆炸后,第一秒的最早部分会存有重夸克,那时宇宙处于温度及密度极高的状态(夸克时期)。重夸克的实验研究都在人工的环境下进行,例如粒子加速器。在夸克理论的初期,当时的“粒子动物园(英语:Particle zoo)”除了其他各种粒子,还包括了许多强子。盖尔曼和茨威格假定它们不是基本粒子,而是由夸克和反夸克组成的。在他们的模型中,夸克有三种味,分别是上、下及奇,他们把电荷及自旋等性质都归因于这些味。初时物理学界对于这份提案的意见不一。当时学界对于夸克的本质有所争论,一方认为夸克是物理实体,另一方则认为,它只是用来解释当时未明物理的抽
8、象概念而已。在一年之内,就有人提出了盖尔曼茨威格模型的延伸方案。谢尔登李格拉肖和詹姆斯布约肯(英语:James Bjorken)(James Bjorken)预测有第四种夸克存在,他们把它叫做“粲”。加上第四种夸克的原因有三:一、能更好地描述弱相互作用(导致夸克衰变的机制);二、夸克的数量会变得与当时已知的轻子数量一样;三、三、能产生一条质量方程,可以计算出已知介子的质量。后来斯坦福线性加速器中心(SLAC)深度非弹性散射实验在1968年指出,质子含有比自己小得多的点状物,因此质子并非基本粒子。物理学家当时并不愿意把这些物体视为夸克,反而叫它们做“成子一个由理查德费曼所创造的新词。随着更多味的
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