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第 2 日  

量子世界概说

现代物理学2大支柱是相对论和量子力学。

相对论是从大尺度上来认识宇宙的

(如恒星、星系、星系团等)；

量子力学是从小尺度上来认识宇宙的

(如原子及比原子更小的电子、夸克等)。

初识量子世界（一）

古希腊人认为，

物质是由“原子”

（不可分割的材料）构成的。

所有的物质都是少量不同的

基本原料结合而成的，

就像拼音文字，

无数词语都是由很少的

几十个字母组合而成的。

19世纪，科学家发现一些物质，

如氧和碳，

都有一种可以识别的最小组成单元，

沿袭古希腊人的传统，亦称其为“原子”。

到20 世纪30 年代初，

汤姆逊、卢瑟福、玻尔等人，

建立了“原子的太阳系模型”。

人们了解到，

原子并不是什么最基本的物质成分，

它有一个包含着质子和中子的原子核，

核外还绕着-群旋转着的电于。

20 世纪30年代末，

物理学家在研究宇宙线时，

发现了一种叫

μ子 （渺子）的基本粒子。

“宇宙线”

是从外太空向地球倾泻的粒子流。

渺子μ 除了重约电子的200倍，

其它性质与电子是一样的。

20 世纪50 年代中期，

1956年美国科学家克莱德·柯万；

弗里德里克·雷因斯等人，

发现了“中微子”。

中微子很难找到，

它们很少与其他物质发生相互作用。

中微子能穿过几百亿千米厚的铅，

其运动几乎仍不受影响。

从太阳向太空喷发的几十亿个中微子，

能时刻穿过人体、穿过地球，

象幽灵一样弥漫在宇宙。

默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann1929年9月15日－），

美国物理学家。1969年诺贝尔物理学奖得主。

盖尔曼涉猎的学科极广，

是一个百科全书式的学者。

除数理类的学科外，对考古学、动物分类学、

语言学等学科也非常精通。

1968年，斯坦福直线加速器中心的实验家们，

用强大的技术，探索了物质的微观层次，

发现质子和中子也不是基本的，

质子和中子是由更小的粒子构成。

美国物理学家盖尔曼给它起名叫“夸克”。

实验证明，

第1代夸克，分成“上夸克”和“下夸克”。

“质子”由2上和1下夸克组成，

“中子”由2下和1上夸克组成。

这以后，又发现了

4种夸克（粲、奇、底和顶夸克），

还有一个比电子更重的粒子，

叫τ子（套子）。

“τ”——Tau（大写Τ，小写τ），

是第19个希腊字母，

‘套子‘是带负电荷的粒子，标记为τ。

由美国马丁·佩尔实验团队于1975年发现。

另外还有两个性质与中微子相同的粒子，

叫“渺子中微子”和“电子中微子”。

这些粒子在高能碰撞中产生，

不过只是刹那一现，

通常在事物里是很难找到它们的影子的。

每个粒子都有一个反粒子。

比如，电子的反粒子叫正电子。

正电子的质量与电子相同，

但电荷为+1（电子的电荷为-I) 。

物质与反物质接触时，

会相互湮灭，

生成纯粹的能量。

物理学家不断地用越来越大的能量

将物质击碎，

竭力重现大爆炸以来的物质条件。

科学家从碎片里找出许多元素:

在大爆炸时刻，

宇宙从‘比砂粒还小’的微尘中，爆发出来。

这是些“小而重”的领域：

体积很小，质量却极大。

物理学家现在已经追溯到‘百亿亿分之一米’

尺度的物质结构，

而且总结出四种相互作用和一些基本粒子。

基本粒子原是指构成物质的最小单位。

但在夸克理论提出后，

人们认识到基本粒子也有复杂结构，

所以现在一般不再提“基本粒子”了。

本文有时仍沿用“基本粒子”一词，

只是为方便而已。

当我们考虑力的时候，

我们发现力有许多种形式。

大量证据说明，

不同间事物的相互作用力可以归结为4种：

（1）强力、（2）电磁力、

（3）弱力、（4）引力。

根据作用力的不同，

粒子可分为三大类：

强子、

轻子、

传播子（波色子）。

        《四种基本相互作用和粒子分类简表》

科学家发现

有两种性质对一切力都是共同的：

（1）       在微观层次，所有的力都会连着一种粒子，

我们可以把它想象为最小的能量元（力元）。

           弱力和强力的最小单元

           叫传播子（玻色子）和胶子。

 （2）       第二个共同点是，力由某种量来决定。

比如质量决定引力如何对粒子发生作用；

电量决定电磁力如何产生作用。

强力和弱力只能在微观尺度产生作用；

引力和电磁力却有无限的作用范围。

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