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粒子是如何创造我们的?

140亿年前,我们的宇宙从一个极热和致密的点开始迅速膨胀。所有的物质和反物质都应该在那个时候相互湮灭,只留下能量。但是!有一部分物质存留了下来。(为什么物质会在那场“战役”中获胜,科学家还不知道。

这些“活”下来的粒子构建了我们现在可见的宇宙,包括恒星、星系和气体等等。经过漫长的演化,恒星不断的死亡和诞生,产生了许多构成生命必须的元素。可以说我们都是恒星的产物,天文学家近期通过绘制银河系生命元素的分布证明了这一点

为了更清楚的了解我们与这些基本粒子之间的紧密联系,我们来看下面的一些事实。

【构成我们的粒子】

△ 图中显示了构成人体的四种常见元素:氢(Hydrogen)、碳(Carbon)、氮(Nitrogen)和氧(Oxygen)。这四种原子,各自带有不同的中子、质子和电子的数量。右下的两个三角状是质子(proton)和中子(neutron),它们都是由上夸克(u)和下夸克(d)组成,夸克间的力由胶子(g)传递着。

人体的质量有>97%都是由碳、氢、氮、氧、磷和硫组成的。当然,剩下的包含了很多其它生命体所必须的元素。

人体内的大部分细胞大约每7到15年都会更新一次,而组成这些细胞的粒子其实已经在宇宙间存在了数十亿年。我们身体的氢原子是在宇宙大爆炸时产生的;碳、氮和氧则是在燃烧的恒星中产生的;而体内最重的元素则是在恒星大爆炸中制造出来的。

一个原子的大小取决于原子内电子的平均位置。原子核比它的“宿主”小10万倍。打个比方,如果原子核有花生的大小,那么原子就有一个棒球场那么大。原子间存在着很多空隙,如果把原子的空隙都抽取掉,那么我们整个人类都可以被装进一颗方糖内!

从上述事实中你或许可以猜到,这些粒子的质量只占据了我们身体的一小部分。在原子核内的质子和中子各自都是由三个夸克组成的,而夸克的质量是由它和希格斯场的相互作用决定的,但也只占了中子和质子百分之几的质量。胶子把夸克束缚在一起并传递着强核力,但它是完全没有质量的。

这就奇怪了,如果我们身体的大部分质量不是来自这些粒子的,那是从哪里来的?答案是能量!科学家相信我们身体的大部分质量都是来自这些夸克的动能和胶子的结合能。

【我们制造的粒子】

△ 人体之所以会产生辐射是因为摄入了大量的食物和酒水,吸入空气中的钾-40和碳-14会在身体内衰变并产生正电子,正电子会和电子湮灭往外辐射光子。

说完了构成我们的粒子,那么人体会不会制造粒子呢?事实上,每个人都是一个小型的放射性粒子的矿厂。人体每年会制造40毫雷姆剂量的天然放射性物质。这个剂量大概是你做了四次的胸部X光的检查。如果你每天和自己的爱人都睡在一起8个小时,那么你接收到的放射性剂量会增加1到2毫雷姆。

注:雷姆是用来描述辐射强度的物理学单位,是一种剂量当量的单位。

我们之所以会辐射是因为我们摄入了大量的食物和酒水,甚至是从空气中吸入了钾-40和碳-14。它们会和身体内的分子结合,并最终衰变,在你体内产生辐射。

当钾-40衰变的时候,它会释放出正电子——也就是电子的反物质,所以身体内也会包含微量的反物质。人类每天平均能产生超过4000个正电子,大概每小时180个。这些正电子并不会呆太久,因为它很快就会和身体内的电子发生湮灭而往身体外辐射伽玛射线。

在身体里产生的放射性物质只是非常小的剂量,并且是无害的,所以不用担心。一个人平均每年会接收到620毫雷姆剂量的辐射,这包括了摄入的食物,居住的房子,每天走过的岩石和土壤等,在很多环境下我们都会被暴露在轻微的辐射之下。如果你多吃一点巴西坚果和频繁去看牙医也会增加几毫雷姆。抽烟最糟糕,一下子可以增加一万六千毫雷姆,戒烟啊!

【轰炸我们的粒子】

△ 来自太空的宇宙射线,中微子和暗物质无时不刻的都在穿过我们的身体。

轰炸!轰炸!轰炸!人类的身体每天都被不计其数的粒子轰炸,而毫无察觉!这都是哪些粒子干的好事呢?

首先要说的是宇宙射线,它们是来自外太空的高能粒子流,以接近光的速度进入地球的大气层。宇宙射线会与大气层里的其他原子核碰撞而并产生介子,这些介子也会衰变成μ介子和中微子。紧接着,这些粒子就会穿透大气层到达地球表面,并不断地穿透我们的身体。这些粒子每年会在我们的体内增加大约27毫雷姆的辐射剂量。有时候,这些宇宙粒子可能会破坏我们的基因组织,导致微妙的基因突变,这或许是也是人类进化的一个重要因素。

每天我们都沐浴在阳光之中,但除了光子,太阳也同时释放大量的中微子。中微子是我们身体的常客,每秒钟大约有数万亿来自太阳的中微子穿过我们的身体。除了来自太阳,中微子也有其它的来源,包括其它的恒星和地球。

有许多中微子在宇宙诞生的几秒后就已经存在了,比我们身体的原子还老。但是中微子几乎不与其它的物质作用,所以即使它们穿过我们的身体也不会留下任何痕迹。这也使科学家极难捕捉到它们。

除了中微子,我们或许也经常要面对暗物质(如果存在的话)的轰炸。暗物质不辐射,反射和吸收光线,使它变得难以探测,但是科学家通过计算认为暗物质构成了宇宙中80%的物质。

通过计算暗物质在宇宙中的密度,科学家认为每秒钟都有成千上万的暗物质穿过我们的身体,暗物质大约每分钟会有一次与身体内的原子发生碰撞。但是暗物质跟构成我们身体的物质只发生轻微的作用,所以它们几乎不会对我们的身体造成任何显著的影响。

通过这些,相信读者都已经能够体会到基本粒子其实跟我们之间的联系是如此紧密,因此不要再生出“粒子物理学对生活并没有什么卵用,为什么要耗费大量资金去研究它?”这样的疑问。


撰文:Ali Sundermier

编译:Feynman

图片来源:Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova


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来自:红豆居士  > 物理学
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