我們都知道原子,那麼原子又是怎麼來的,原子是質子、中子和電子組成的。那麼質子、中子和電子又是怎麼來的?它們是不是由更小的粒子組成?組成萬物的最基本的粒子是什麼呢?有沒有最小的粒子?
首先,我們先要了解什麼是粒子,粒子的定義是什麼。
粒子(particle),是指能夠以自由狀態存在的最小物質組成部分。最早發現的粒子是原子、電子和質子。在1932年人們又發現中子,確認原子是由電子、質子和中子組成的。它們比起原子來是更為基本的物質組分,由於當時的技術水平不能發現更小的物質組分,所以稱它們為基本粒子。
在之後的實驗研究中,越來越多的這類粒子被發現,並且還在不斷增多。研究後有些粒子迄今尚未發現其有內部結構,而有些粒子在實驗後發現具有明顯的內部結構。這些粒子並不屬於同一層次,人們認識到基本粒子也有複雜的內部結構,所以基本粒子一詞成為歷史,現在統稱為粒子。與中子、質子、電子等等這些具體存在的物質不同,粒子只是一個統稱,是一種理念模型。
粒子之間是存在著相互作用的。有強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。引力相互作用特別弱,甚至可以忽略。粒子通過這些相互作用,會產生新粒子或發生粒子衰變等粒子轉化的現象。
按照參與相互作用的性質將粒子分成幾類:
1、規範粒子,傳遞相互作用的媒介粒子。現在已經發現的有,傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的W、Z粒子。
2、輕子,不直接參與強作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子。現在已發現的有,電子、μ子、τ子和與它們相伴的電子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子,以及它們的反粒子共有12種。
3、強子,所有參與強作用的粒子總稱。這些粒子中自旋為整數的強子,我們稱為介子;自旋為半整數的強子,我們稱為重子。強子的數目眾多,它們由夸克組成,已發現的夸克有6種(上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克),強子中大部分是通過強作用衰變的粒子,它們的壽命極短,是不穩定的粒子,也可稱為共振態。
粒子如此之多,它們真的都是最基本、不可分的嗎?
近40年來大量實驗實事表明強子是有內部結構的。1964年蓋爾曼提出了夸克模型,他因此獲1969年物理獎。已發現的夸克有六種,它們是:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克。其中理論預言的頂夸克的存在,在2007年1月30日發現於美國費米實驗室。
夸克決不會單獨存在,但是頂夸克例外,由於頂夸克太重了而衰變又太快,早期的實驗無法製造。夸克總是成對的構成介子,或者3個構成質子和中子這樣的重子。
除了夸克,還有弦理論。它是理論物理的一個分支學科,弦論的一個基本觀點是,自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子,而是很小很小的線狀的「弦」。弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子,能量與物質是可以轉化的,故弦理論並非證明物質不存在。
在粒子物理學的深層次探索活動中,粒子加速器、探測手段、數據記錄和處理以及計算技術的應用不斷發展,既帶來粒子物理本身的進展,也促進整個科學技術的發展。粒子物理所取得的豐碩成果會在宇宙演化的研究中起到重要的作用。