26個字母組成了英語,61種基本粒子則構成了萬物

2021-01-13 科學探索菌

之前介紹了四種基本力(強力、弱力、電磁力、引力),下面來接著介紹一下基本粒子。對於重點部分,我會加粗。能力有限,寫的不好,也許還會存在部分錯誤,還請見諒哈。

什麼是基本粒子?

在20世紀,人們發現原子是由原子核(質子和中子組成)及核外的電子構成的。由於色禁閉現象導致科學家們在很長時間內沒有新的發現,於是便誤以為質子、中子就是最基本的粒子了。夸克模型的提出及驗證,打破了長久的幻想,人們開始思索「物質也許是無限可分的」。下面將要介紹的基本粒子就是目前科學家們所發現的構成物質結構的最基本的粒子。

在粒子物理學的標準模型(描述電磁力、弱力、強力三種基本力及基本粒子的理論)框架下共有61種基本粒子,從目前來看它們都是不可分的,也沒有明顯跡象表明這些基本粒子還存在更深層次的結構。

根據作用力的不同,基本粒子可分為夸克(36種)、輕子(12種)和傳播子(13種)三大類。由於基本粒子在質量和體積方面都很小,在量子場論中,它們都被當做點粒子進行對待。科學家們在高能粒子加速器中進行碰撞試驗,以此來研究它們的性質及組成。基本粒子都非常小,目前人類還不能直接觀察到。

夸克和輕子

夸克和輕子都屬於費米子,自旋為半奇數,遵守泡利不相容原理。輕子相信大家都很熟悉,電子就是其中一員 。夸克則是構成原子核的材料,因為質子和中子都是由夸克構成的。

輕子只具有電荷,而夸克不僅有電荷(分正負兩種電性),還具有色荷(分紅綠藍三色,這裡只是借代,並不是說夸克真的具有顏色,只是用作性質上的區分)。電荷與電磁相互作用有關,色荷與強相互作用有關。

夸克和輕子都可按質量劃分為3代,一代更比一代重,且各自都擁有對應的反粒子。宇宙間的原子都是由第一代夸克和輕子組成的,餘下的非常不穩定極易衰變,只存在於宇宙射線及高能粒子實驗中。中微子是質量最小的基本粒子,個頭小不帶電,與其他物質的相互作用十分微弱,以至於可以輕易穿透地球。頂夸克是基本粒子中質量最大的粒子。

(輕子)

(夸克)

宇宙間種類眾多的強子都是由夸克構成的。強子可以分為兩大類,即介子和重子。介子由兩個夸克組成,重子由三個夸克組成,我們所熟知的質子和中子都屬於重子。質子是強子中最穩定的粒子,其它粒子很容易發生衰變。一個自由中子會衰變成一個質子、一個電子和一個中微子。

(一個質子由兩個上夸克和一個下夸克構成)

傳播子

傳播子是傳遞基本力的媒介粒子。它們都屬於玻色子,自旋為整數。分為膠子、光子、中間玻色子及希格斯玻色子。

膠子具有色荷,且擁有8種類型的色荷,傳遞強相互作用;光子沒有電荷及色荷,負責傳遞電磁相互作用,只有一種。膠子和光子的禁止質量為0。中間玻色子有三種,即W-、W+及Z,擁有質量,負責傳遞弱相互作用。它們都屬於規範場論下的規範玻色子。

希格斯粒子自旋為0,屬於標量玻色子,不帶電荷、色荷,只有一種。希格斯玻色子是希格斯場的量子激發,因此極不穩定,生成後會立刻衰變。宇宙中充滿了希格斯場,並通過希格斯機制賦予其它粒子質量。

標準模型為引力也預留了位置,在假設中存在一種引力子,粒子間通過交換引力子傳遞引力相互作用。目前看來,統一引力的希望似乎很渺小。

建立大統一理論是物理學家的終極夢想,為此,一些科學家另闢蹊徑,提出了弦理論,認為基本粒子由一維的弦構成,弦的不同振動模式會形成不同的粒子。不過該理論太超前,以目前的技術實驗手段,根本驗證不了。

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