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第 2 日  

量子世界概說

現代物理學2大支柱是相對論和量子力學。

相對論是從大尺度上來認識宇宙的

(如恆星、星系、星系團等)；

量子力學是從小尺度上來認識宇宙的

(如原子及比原子更小的電子、夸克等)。

初識量子世界（一）

古希臘人認為，

物質是由“原子”

（不可分割的材料）構成的。

所有的物質都是少量不同的

基本原料結合而成的，

就像拼音文字，

無數詞語都是由很少的

幾十個字母組合而成的。

19世紀，科學家發現一些物質，

如氧和碳，

都有一種可以識別的最小組成單元，

沿襲古希臘人的傳統，亦稱其為“原子”。

到20 世紀30 年代初，

湯姆遜、盧瑟福、玻爾等人，

建立了“原子的太陽系模型”。

人們了解到，

原子並不是什麼最基本的物質成分，

它有一個包含着質子和中子的原子核，

核外還繞着-群旋轉着的電於。

20 世紀30年代末，

物理學家在研究宇宙線時，

發現了一種叫

μ子 （渺子）的基本粒子。

“宇宙線”

是從外太空向地球傾瀉的粒子流。

渺子μ 除了重約電子的200倍，

其它性質與電子是一樣的。

20 世紀50 年代中期，

1956年美國科學家克萊德·柯萬；

弗里德里克·雷因斯等人，

發現了“中微子”。

中微子很難找到，

它們很少與其他物質發生相互作用。

中微子能穿過幾百億千米厚的鉛，

其運動幾乎仍不受影響。

從太陽向太空噴發的幾十億個中微子，

能時刻穿過人體、穿過地球，

象幽靈一樣瀰漫在宇宙。

默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann1929年9月15日－），

美國物理學家。1969年諾貝爾物理學獎得主。

蓋爾曼涉獵的學科極廣，

是一個百科全書式的學者。

除數理類的學科外，對考古學、動物分類學、

語言學等學科也非常精通。

1968年，斯坦福直線加速器中心的實驗家們，

用強大的技術，探索了物質的微觀層次，

發現質子和中子也不是基本的，

質子和中子是由更小的粒子構成。

美國物理學家蓋爾曼給它起名叫“夸克”。

實驗證明，

第1代夸克，分成“上夸克”和“下夸克”。

“質子”由2上和1下夸克組成，

“中子”由2下和1上夸克組成。

這以後，又發現了

4種夸克（粲、奇、底和頂夸克），

還有一個比電子更重的粒子，

叫τ子（套子）。

“τ”——Tau（大寫Τ，小寫τ），

是第19個希臘字母，

‘套子‘是帶負電荷的粒子，標記為τ。

由美國馬丁·佩爾實驗團隊於1975年發現。

另外還有兩個性質與中微子相同的粒子，

叫“渺子中微子”和“電子中微子”。

這些粒子在高能碰撞中產生，

不過只是剎那一現，

通常在事物里是很難找到它們的影子的。

每個粒子都有一個反粒子。

比如，電子的反粒子叫正電子。

正電子的質量與電子相同，

但電荷為+1（電子的電荷為-I) 。

物質與反物質接觸時，

會相互湮滅，

生成純粹的能量。

物理學家不斷地用越來越大的能量

將物質擊碎，

竭力重現大爆炸以來的物質條件。

科學家從碎片裡找出許多元素:

在大爆炸時刻，

宇宙從‘比砂粒還小’的微塵中，爆發出來。

這是些“小而重”的領域：

體積很小，質量卻極大。

物理學家現在已經追溯到‘百億億分之一米’

尺度的物質結構，

而且總結出四種相互作用和一些基本粒子。

基本粒子原是指構成物質的最小單位。

但在夸克理論提出後，

人們認識到基本粒子也有複雜結構，

所以現在一般不再提“基本粒子”了。

本文有時仍沿用“基本粒子”一詞，

只是為方便而已。

當我們考慮力的時候，

我們發現力有許多種形式。

大量證據說明，

不同間事物的相互作用力可以歸結為4種：

（1）強力、（2）電磁力、

（3）弱力、（4）引力。

根據作用力的不同，

粒子可分為三大類：

強子、

輕子、

傳播子（波色子）。

        《四種基本相互作用和粒子分類簡表》

科學家發現

有兩種性質對一切力都是共同的：

（1）       在微觀層次，所有的力都會連着一種粒子，

我們可以把它想象為最小的能量元（力元）。

           弱力和強力的最小單元

           叫傳播子（玻色子）和膠子。

 （2）       第二個共同點是，力由某種量來決定。

比如質量決定引力如何對粒子發生作用；

電量決定電磁力如何產生作用。

強力和弱力只能在微觀尺度產生作用；

引力和電磁力卻有無限的作用範圍。

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