你还以为世界是由原子堆起来的?

作者: Camel

来源: 中科院物理所

发布日期: 2016-12-18 10:00:18

本文探讨了从原子到夸克的物理学层次结构,介绍了标准模型及其组成粒子,以及它们如何通过不同的相互作用力结合在一起。

假如由于某种大灾难,所有的科学知识都丢失了,只有一句话传给下一代,那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢?我相信这句话是原子假设:所有的物体都是用原子构成的——这些原子是一些小小的粒子,它们一直不停地运动着。当彼此略微离开地时互相吸引,当彼此过于挤紧时又相互排斥。——《费曼物理学讲义》

生活在这个科普遍地成翔的时代,我想没有几个人(深表怀疑?其实我也不信)不知道“物质是由原子组成的”这个最最基本的常识了吧。但这个一百年前都已经是常识的常识实在不能让我等研究物理的人有任何智力上的优越感,我们得潜下去,切开原子往下走,看看基本的基本的基本的基本到底是什么鬼。于是……咱们拉开序幕,上演一场原子之下的精彩大片。哦,对了,这大片叫做《粒子物理》。

我们可能都知道,原子是由原子核以及围绕着原子核的电子云组成。我们也知道有很多不同的原子,它们排列在一张元素周期表上。原子核带正电+Ze(其中e是一个电子所带的电荷量,而Z是原子序数/质子数)。Z决定了原子核的电子的数目,也决定了一类原子(具有相同原子数但中子数不同的原子,同位素)在元素周期表上的排列位置。

在元素周期表上,元素从左到右,从上到下,其原子数逐渐增大。这个顺序一般也与原子质量的增加是一致的。周期表中的周期性,我们可以很漂亮地用量子力学的守恒规则来解释。在这个尺度上的研究属于原子物理……当然或者还有化学物理。

我们可以根据不同原子的性质来构造出一个周期表,这在给我们什么暗示?原子(核)它肯定不是最基本的粒子,它下面还有东西。

当然,我们也知道——原子核是由质子和中子构成。质子带正电荷,其质量为1.673×10-27kg;而中子不带电荷,其质量为1.675×10-27kg,只比质子重一点点。质子和中子的半径都只有10-15米。它们由强核力结合在一起。

质子和中子不是最基本的,它们都是由称为夸克的点状粒子构成,而夸克通过交换媒介粒子胶子(gluons)结合在一起。质子(中子)的质量主要就是来源于把它们聚合在一起的胶子,而不是夸克。

标准模型是基于电弱统一理论外加量子色动力学(QCD)的一个模型。用数学的语言来写就是SU(3)L×SU(2)L×U(1)Y。当然,我们不用管这个奇怪的数学表示,细节只对某些人有意义,和我们没有毛线关系。我们只需要知道标准模型可以用6个夸克、6个轻子(以及它们的反粒子)和4种携带力的媒介粒子来解释所有其他的粒子。

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