宇宙中數量最多的粒子是光子,那麼第2多是誰?

2020-11-22 關注未來世界

放眼宇宙,在目前已經發現的所有粒子中,光子的數量是最多的,其次便是一種如同幽靈般的神秘粒子——中微子,它最具代表性的技能就是「穿牆術」。科學研究表明,中微子穿透物質的能力很強,它可以輕而易舉地穿過10億顆地球;地球附近中微子的密度很高,每秒鐘大約有1000萬億個中微子穿過人的身體,而人卻絲毫無法察覺。不僅人體無法感知中微子,就連精密的科學儀器也很難探測到它們,因為它們太小了,與物質的相互作用非常微弱,在穿透物體的時候甚至不會撞到任何一個原子。

中微子的質量到底有多小呢?科學家非常想知道,一方面,因為質量是一種粒子最基本的性質,另一方面,在目前已知的所有粒子當中,中微子的質量是最難測量的,如果能夠成功測量中微子的質量,或許有助於發現新的物理定律,還可以推算中微子在宇宙演化中扮演的角色。

1930年,粒子物理理論預言了中微子的存在,1956年,科學家第一次真正觀測到了中微子。然而,直到大約20年前,科學家才發現中微子是有質量的。於是又經過數代科學家的努力,2019年8月,一項研究發現,最輕的中微子的質量必然小於0.086電子伏特(eV)。2019年9月,研究人員通過德國的卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實驗,測量得到了中微子的質量不超過1.1eV,約為電子的質量的15萬分之一。

KATRIN實驗的結果比較可信,它的實驗原理很簡單。當氚核發生衰變時,會釋放出一個電子和一個中微子,電子的能量和質量都是可以測量的,所以可以推算出中微子的能量和質量。

中微子的質量為什麼這麼小呢?標準的物理學模型可以解釋各種基本粒子是如何獲得質量的,是通過與一種能量場——希格斯場相互作用。但是這種標準模型卻不適用於中微子,因為與其它粒子相比,中微子的質量實在是太輕了。至今為止,科學家還無法確定質量是如何分配成這麼小的一份的。

如果能弄清楚中微子是如何獲得質量的,或許可以解釋有關宇宙演化的一些現象,比如,為什麼宇宙中普通物質比較多,反物質比較少?為什麼大爆炸時會產生這麼多中微子?它們的集體引力對天體產生和運行有多大的影響?中微子是否還會衰變成質量更輕的未知粒子?這些更輕的未知粒子的速度更加接近光速,會不會造成它們無法聚集成物質?

結語

對於中微子這種神秘而古老的宇宙粒子的研究,或許會帶我們發現激動人心的未知世界。

相關焦點

  • 黑暗光子是宇宙中第五種力嗎?
    暗物質是一種假設的物質形式,據說佔宇宙總質量的80%左右。這是一件大事。我們真的不知道是什麼導致所有這些額外的隱形東西,但我們知道它存在,最大的線索是引力。通過研究星系內星系和星系內恆星的運動,以及宇宙中最大結構的演化,天文學家幾乎普遍得出的結論是,真實的宇宙不僅僅是我們觀測的宇宙。
  • 怪不得星空那麼黑,宇宙中的很多光子,還沒到達地球就消失了!
    包括伊曼紐爾·康德·波羅的海聯邦大學(IKBFU)物理和數學科學與信息技術研究所副教授Andrey Savelyev在內的一個國際科學家小組,改進了一個電腦程式,該程序有助於模擬光子與星際空間中溢出氫相互作用時的行為,其研究成果發表在《皇家天文學會月刊》上。在宇宙中,有像「耀變體」這樣的銀河系外物體,它們能產生強大的伽馬射線流,來自這條伽馬射線流中光子的一部分直接到達地球。
  • 宇宙中的恆星那麼多,為什麼太空還是黑的?
    要知道光子在不同的條件下存在時間是完全不同的,一般情況下光子存在不超過三小時,但是當光子到達光速以後,就可以存在超過10億年甚至更久的時間,不知道你是否思考過這個問題,宇宙中無時無刻不在誕生恆星,那麼宇宙的光子應該非常多,但是通過人類的觀測,發現宇宙中其實並沒有那麼多的光子,其中的原因就是因為宇宙膨脹。
  • 在宇宙中已被發現的17種粒子
    把光稱為「物質」似乎是很奇怪的,但現代物理學已經確定,光實際上與物質很相似:它以有限地的速度傳播(約300000km/s),它會受到引力的影響(這是由愛因斯坦廣義相對論所預測的),它甚至是由微小的粒子——光子——組成的。 如果連光都是由粒子構成的,那麼說「一切事物都是由粒子構成的」似乎是一個合理的猜測。
  • 光子是光明的「幽靈粒子」
    (2)像地球和太陽、中子星和黑洞之類天體的強大磁場和強大引力場會發生相互作用嗎?如果彼此毫不相干,那麼為什麼天體的兩種物理屬性不發生相互作用?難道引力是引力、磁力是磁力,「井水不犯河水」?如果磁場和引力場、或磁力和引力發生相互作用,那麼它們之間發生怎樣的交互作用?
  • 基本粒子有多小?
    (© NASA & Wikimedia Commons)當你取任何數量的物質時,不管它多大或多小,構成它的只有兩個選項:要麼它可以被分割成更小的物質,要麼它是真正基本且不可分割的。在19世紀的大部分時間裡我們都認為原子是基本的,最小的實體,原子的希臘語是「ἄτομος」,譯為「不可切分的」。
  • 宇宙中的光子發射出來以後,又最終會去哪兒呢?
    宇宙中的光子既是一種能量的載體,也是一種基本的粒子。在粒子的標準模型中,光子同電子一樣都是不可再分的,且光子是一種傳遞傳遞電磁作用力的媒介粒子。那麼,宇宙中的光子的最終的結局又是什麼呢?我們把距離原子核較近的電子軌道能級叫做E1,把距離原子核較遠的電子軌道能級叫做E2,原子在收到高能量的受激輻射後,高能級的電子向低能級的電子躍遷會伴隨著能量的釋放,這種向外釋放的能量就是光子。光子的能量為E1-E2。而光子的消失大部分是被其他物質所吸收,像太陽這樣的恆星通過核聚變而通過光子向外發射能量,照射到宇宙塵埃及較大的星體時的光子被當作一份能量被吸收。
  • 宇宙中有比電子更小的物質存在嗎?
    宇宙中當然有比電子更小的物質存在,目前我們已知在宇宙空間中,除了電子之外,還有中微子和光子都屬於最小的粒子。理論上黑洞的中心奇點也極小,未來人類或許還會發現其它比電子小的微觀物質,比如某些暗物質;還有可能,以後的科學家會發現原來場(磁場、電場和引力場)也是一種更小的物質。
  • 光子的概念是希格斯玻色子(是基本粒子)的量子化
    已經經歷了長時間超級複雜的「擬人化」認知,「這東西太簡單了,老子才沒有那麼弱,老子老子!」物質的量是比規定的小。這個「一個很小的質量物質」的概念包含三個:物質、單個粒子、定量的總量。下面舉例說明三個概念的分界。用國際單位制原理可以完美解釋這個問題。
  • 宇宙中微子背景是什麼?中微子為什麼是第二豐富的粒子
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文中微子僅次於光子作為宇宙第二豐富的粒子,也是宇宙大爆炸時遺留下來的古老遺蹟,除了微波背景輻射,宇宙標準模型最後一個未經驗證的預言就是中微子背景,那麼中微子在宇宙早期是怎樣產生的?它們如何能大量的保存下來?我們為什麼探測不到中微子背景?下面我就從宇宙的起源說起。
  • 基本粒子中,為什麼只有光子能達到光速?而其他粒子無法達到光速?
    這個看法起初很多科學家都無法接受,狹義相對論誕生後很久才逐漸在實驗中被驗證,被開始被接受。很多人都會有一個疑問:為什麼光速是宇宙中物質、信息、能量的極限速度,而不是其他的速度?還有光是如何一下子達到光速的?它的動力之源到底是什麼?
  • 基本粒子中,為何只有光子能達到光速?而其他粒子無法達到光速?
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  • 超越愛因斯坦基本粒子分類,宇宙第三類粒子被試驗確認
    文:有鉗出品▲現在大家都在用這張圖,看起來很炫酷宇宙中的所有粒子——從宇宙射線到夸克——都可以分為兩類,即:費米子或玻色子。光子是玻色子的典型例子。▲在超過二維平面的空間中,自旋統計理論界定任何粒子只能是費米子或者玻色子從以上的描述可以看出:費米子在粒子世界中是「孤獨患者(誤)」,它們永遠不會佔據相同的量子態。因此,作為費米子的第一代表——電子——被迫進入原子周圍的原子殼中。
  • 宇宙中有那麼多恆星放出熱量,為什麼宇宙還是那麼寒冷?
    但是,儘管有那麼多恆星在輻射熱量,整個宇宙卻是非常寒冷的,它的溫度可以低達2.7開爾文。為什麼太空會如此寒冷呢?在物理學中,溫度其實是分子的平均動能。分子無規則運動的速度越快,在一定時間內撞擊我們的次數也就越多,傳遞的能量也就越大,此時我們就會感覺到溫度越高。
  • 科學家測量宇宙形成以來所有恆星發射的所有光子數量
    天體物理學家測量了宇宙從大爆炸開始 137 億年歷史中形成的數萬億顆恆星所發射的所有光子的數量。這項研究將對揭開恆星形成歷史、銀河系的演化以及尋找暗物質等課題產生深遠的影響。「大部分光都是由星系中的恆星發出的。因此,這使我們能夠更好地理解恆星演化過程,並獲得宇宙如何產生其發光內容的迷人見解。「伽馬射線產生的原理儘管宇宙充滿了大量的光子,但由於空間巨大,宇宙很大程度上是暗淡的。
  • 宇宙中第一批原子是咋來的?科學家如何測量這些元素的豐度?
    在這種狀態下,所有的粒子都以極快的速度碰撞,並處於熱平衡狀態。粒子-反粒子對的產生和湮滅發生的十分迅速。然而,這時存在的大部分粒子都不穩定,隨著宇宙的膨脹和冷卻,重的輕子和夸克發生了衰變,多餘的物質和反物質相互作用並湮滅,剩下的夸克(上下夸克數量大致相等)冷卻到足以凝結成單個的質子和中子。
  • 為何光子擁有宇宙最高恆定速度?
    宇宙只有物質存在和非物質存在2種客觀存在。其中,非物質存在的的基本形式僅為光子(即能量子)1種。光子就是一份份的能量子,因此又被稱之為能量子。光子的衍生形式還有信息及電磁波2種,信息與能量子(光子)是一體兩面的同一體,而電磁波是能量子的規模性活動。
  • 光的粒子性分析
    依據本章前面2小節的內容,我們現在可以得出一個結論:宇宙是一個粒子的世界,粒子性是宇宙的本質屬性。因此宇宙中所有的物質都是粒子,或者是粒子的聚合體。因此,作為宇宙中的一員,光也必然是粒子。如果光是粒子,那麼我們該如何理解具有代表性的光的幹涉和衍射的實驗結果呢?
  • 夸克,宇宙中的一種基本粒子,但它其實並沒有顏色
    在最基礎的水平,現實僅決定於宇宙的兩個特性:組成所有現存事物的量子和它們之前的相互作用。儘管統領的這些法則看起來非常複雜,其中的概念極其簡單明了。宇宙由碎散的能量組成,這些能量被束縛在具有特定屬性的量子粒子中。這些粒子根據構成我們現實的物理定律相互影響,相互作用。
  • 宇宙中的恆星多得難以計算,但為什麼宇宙卻那麼冰冷和黑暗?
    由此可見,宇宙中的恆星數量是大得難以計算的,我們都知道,宇宙中的恆星其實就是一個個「大火球」,在它們的內部,每時每刻都在進行著激烈的核聚變反應,並向周圍釋放出巨量的光和熱。比如說太陽這顆普通的恆星,其釋放出的能量只有大約22億分之1被我們地球吸收,地球就變成了一個充滿溫暖和光明的世界。