科學分析,我們身邊的所有物體都是由電子夸克光子和膠子組成的?

2020-12-06 百家號

大家好，歡迎來到瑤瑤談科學，我是瑤瑤，宇宙裡面有光和其他物質，在運動光由光子組成，這是愛因斯坦憑直覺想出的光的威力，我們看到的物體都是由原子組成的。

物體都是由原子組成的

而原子是由一個原子核和圍繞它的電子組成，和原子有緊密聚集在一起，質子和中子由更小的粒子構成，美國物理學家默裡蓋爾曼為他們取名夸克他的靈感，來自詹姆斯喬伊斯的小說芬尼根守靈夜中一句沒有意義的話，一個沒有意義的詞給我們帶來夸克，我們觸不到的每樣東西都是由電子和這些夸克組成的,夸克之所以能夠在質子和中子裡粘在一起是因為一種被物理學家們稱作交子的粒子。

粒子

他是從英文的膠水變化而來的，科學家們在取名時似乎並沒有發覺這個詞，有點可笑的是我們身邊的所有物體都是由電子夸克光子和膠子組成。他們就是粒子物理學中所講的基本粒子，除此之外還有幾種粒子，例如中微子它布滿了整個宇宙，但並不跟我們發生交互作用，還有希格斯玻不久前在日內瓦歐洲核子研究中心的大型強子對撞機中發現的粒子，但這些粒子並不多只有不到十種。

粒子並不多

這少量的基本原料如同大型樂高玩具中的小積木，靠它們建造出了我們身邊的整個物質世界，量子力學描述的這些粒子的性質和運動方式，這些粒子當然並不像小石子，比方說光子是電磁場的量子就跟在法拉第和麥克斯偉的地方像豬一樣，他們是這些變化的基地場中的元激發是極小的。他們的消失和重現遵循量子力學的奇特定律存在的每樣東西都是不穩定的。

奇特定律存在

永遠都在從一種相互作用籤約到另一種相互作，用即使我們觀察的是空間中一塊沒有原子的區域，但還是可以探測到慄子的。微笑湧動徹底的虛空是不存在的，就像最平靜的海面，我們湊近看還是會發現細微的波動和震蕩構成世界，也會輕微的波動起伏我們可以想像組成世界的基本粒子在這樣的波動中不斷的產生消失，這就是量子力學和粒子理論描述的世界。

不斷的產生消失

自從牛頓和拉普拉斯的世界相去甚遠,在不變的幾何空間裡沿著精確而漫長的軌跡永恆不變的運動著量子力學和粒子實驗告訴我們世界是物體連續的永不停歇的湧動,是稍縱即逝的實體,不斷的出現和消失是一系列的震蕩,就像20世紀60年代時髦。西皮世界一個由事件而非物體構成的世界粒子理論的細節,在20世紀50至70年代逐漸得到完善參與這項工作的有20世紀最偉大的物理學家,如理察費曼和蓋爾曼還有一群舉足輕重的義大利人,這些細節的建構導出了一個複雜的理論,它建立在量此力學的基礎上被稱為基本粒子標準模型,一個不太浪漫的名字.

基本粒子標準模型

20世紀70年代在其所有預測被一系列實驗證實之後這個標準模型終於得以確立,1984年我們義大利現在的參議員卡洛魯比亞還憑著這個模型的首批數據獲得了諾貝爾獎.2013年希格斯玻色子的發現並且完成了標準模型確認工作的最後一環，雖然有一系列成功的實驗物理學家們卻從未真正認真看待標準模型，但是這個理論至少第一眼看上去由不同的理論和方程集合而成，雖然看不出有什麼清晰的秩序但它描述了某些場通過由某些常數決定的某些力，相互作用表現出某些對稱性，但是為何非得是這些場、這些常數、這些力和這些廣泛對稱性呢？我們距離廣義相對論和量子力學的簡潔方程還很遙遠標準模型方程對世界進行預測的方式也複雜得離譜，直接使用這些方程會得出毫無意義的預測，因為計算出來的每個數都是無窮大。

複雜得離譜

b的結果必須假定參數本身，就是無窮的才能抵消荒謬的結果讓他們變得合理，這道曲折迂迴的程序就是重整化它在實際應用上是可行的。在那些追求簡潔型的人仍覺得有所欠缺。愛因斯坦之後20世紀最偉大的科學家量子科學最重要的建立者標準模型的第一個， 也是最主要的方程的作者保羅狄拉克，在他生命的最後幾年曾反覆表達他對這一狀況的不滿，她說我們還沒有解決這個問題近幾年標準模型還出現了一個明顯的缺陷，天文學家們發現在每一個星系的周圍都存在著一團巨大的雲狀物，我們是通過它對星體的引力和他時光發生偏折的現象才漸漸發現這一現象。而我們無法直接看到這團巨大的雲，也不知道它由什麼組成，科學家們提出了很多假設卻沒有一個說得通。

巨大的雲狀物

很明顯有東西在那兒，但它具體是什麼我們卻無從知曉。今天我們把它稱為暗物質一種無法用標準模型描述的東西，不然我們也不會看見它不是原子,不是中微子也不是光子。親愛的讀者天空和大地上存在著超出我們的哲學和物理學想像的東西，這也不是什麼新鮮事了，就在不久之前我們還在懷疑無線電波和中微子的存在，儘管他們充滿了整個宇宙但是迄今為止，標準模型仍然是解釋物質世界最好的理論，另外預測這一現象的人都得到了證實，除了暗物質和廣義相對論中被描述為時空曲率的引力現象外，它很好地解釋了已知世界的方方面面，曾有人提出其他理論試圖替代標準模型但都被實驗推翻了，例如20世紀70年代有人提出了一個不錯的理論稱為su5理論，他用一個更簡潔優雅的結合。取代了標準模型中無序的方程，這個理論預測質子會以一定的概率衰變分解成電子和夸克。

得到了證實

科學家們造了很多巨型儀器來觀測質子的衰變，有些物理學家為尋找可觀測到的質子衰變奉獻了一生，但是由於衰變需要太長時間所以不能一次只觀測一個質子，因此在周圍安裝靈敏的探測器觀測，質子衰變的效應可是至今還沒有人觀測到，質子的衰變su5這個漂亮的理論雖然簡潔美妙卻得不到上帝的青睞。

質子衰變

同樣的故事也許正在上演有一種被稱為超對稱的理論預言存在一類新粒子。整個物理生涯中不斷說有人在滿懷信心地期待著這些粒子不日就被發現，但是隨著時間的流逝一天天一月月一年年數十載這些超對稱粒子依然沒有現身，物理學史並非只有成功所以我們現在還只能依賴標準模型，他可能不太優美但是用來解釋我們周圍的世界，卻很好用誰知道的仔細想想或許並不是這個模型不優美而是我們還沒有學會從正確的角度看待它，沒有發現隱藏其中的秘密。如今這就是我們對物質的認識屈指可數的幾種基本粒子不斷地在存在和不存在之間震動起伏。似乎在一無所有的空間中它們就像宇宙字母表裡的字母以無窮無盡的組合，講述星系繁星陽光山川森林田地像是星光璀璨的夜空的漫長曆。

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