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宇宙基本粒子特性
宇宙基本粒子特性
2012-06-29曹久强

  现在我们知道宇宙是一群物质体的综合,而构成宇宙的这些物质也是永恒运动的。于是,也可以说宇宙是一个物质体的运动过程。

  当我们明白宇宙是一群物质运动过程的时候,就非常想知道构成宇宙的基本物质体是什么,也就是构成宇宙的基本物质。然而宇宙是无穷的,那么构成宇宙的基本物质会不会也是无穷的呢?如果这样,那么,研究宇宙的基本物质将是没有尽头的活动。同时,要是这样的话,也可以说宇宙没有基本物质。因为无数的基本物质,也就是每个单个的物质都不是最基本的。

  如果宇宙有有限的基本物质,那么可以肯定的是,构成宇宙的基本物质将是数量繁多的,而且有限的,也就是有数量庞大的基本粒子存在。目前人类就已经发现了数十种目前阶段可以看做构成宇宙的基本物质的粒子,也称为基本粒子。对于这些基本粒子,人类已经从不同的角度进行了以下几种分类:

  1、根据作用力的不同,基本粒子分为强子、轻子和传播子三大类。强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成,已发现的夸克有五种,它们是:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。理论预言还有第六种夸克存在,已命名为顶夸克,但目前尚未发现。现有粒子中绝大部分是强子,质子、中子、π介子等都属于强子;轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用,而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种,包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子和τ子是带电的,所有的中微子都不带电;τ子是1975年发现的重要粒子,不参与强作用,属于轻子,但是它的质量很重,是电子的3600倍,质子的1.8倍,因此又叫重轻子;传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种,1979年在三喷注现象中被间接发现,它们可以组成胶子球,但至今尚未被直接观测到。传递弱作用的W+,W-和Z0。中间玻色子是1983年发现的,非常重,是质子的80一90倍。

  2、根据基本粒子自旋分,粒子可以分为自旋为半整数的粒子称为费米子,自旋为整数的称为玻色子。同时,自旋也属于基本粒子的一种特性。

  3、按其质量大小以及其他性质上的差异基本粒子可分为光子、轻子、介子、重子四类。

  除此之外,我们认为基本粒子都是具有波粒二象性,而且都是具有质量,尽管有的粒子质量很小,在科学上一度假设为零。实际上宇宙不存在没有质量或者质量为零的物质。即使未来发现反物质的基本粒子,那么也是有质量的,只是质量的表现形成与正物质不同而已。谈到具体基本粒子的质量,现有的粒子质量范围很大,从0到90吉电子伏。其中光子、胶子是无质量的(我认为是有质量的,只是质量更加小);电子质量很小,只有0.5兆电子伏,π介子质量为电子质量的280倍;质子、中子都很重,接近电子质量的2000倍,约为1吉电子伏,已知最重的粒子是Z0,其质量为90吉电子伏。己发现的五种夸克,从下夸克到底夸克,质量从轻到重。下夸克质量只有0.3吉电子伏,而底夸克重达5吉电子伏,顶夸克还没有发现,理论预言它的质量可能超过100吉电子伏。中微子的质量非常小,目前己测得的电子中微子的质量小于7电子伏,即为电子质量的七万分之一,已非常接近零。

  对于物质微观构成来说,原子是由质子、中子和电子构成的。原子核简称“核”。位于原子的核心部分,由质子和中子两种微粒构成。原子核极小,它的直径在10-16 m~10-14m之间,体积只占原于体积的几千亿分之一,在这极小的原子核里却集中了99.95%以上原子的质量。原子核的密度极大,核密度约为1014g/cm3,即1g/cm3的体积如装满原子核,其质量将达到103t。原子核的能量极大。构成原子核的质子和中子之间存在着巨大的吸引力,能克服质子之间所带正电荷的斥力而结合成原子核,使原子在化学反应中原子核不发生分裂。当一些原子核发生裂变(原子核分裂为两个或更多的核)或聚变(轻原子核相遇时结合成为重核)时,会释放出巨大的原子核能,即原子能。

  质子是由所谓夸克的基本粒子构成,由两个+2/3电荷的上夸克和一个-1/3电荷的下夸克通过胶子在强相互作用下构成中子电中性,其质量为 1.6749286 ×10-27千克,比质子的质量稍大,自旋为1/2,磁矩以核磁子作衡量单位为 -1.91304275 。 自由中子是不稳定的粒子,可通过弱作用衰变为质子,放出一个电子和一个反电子、中微子,平均寿命为896秒。中子是费米子[1],遵从费米-狄拉克分布和泡利不相容原理。中子和质子是同一种粒子的两种不同电荷状态,其同位旋为 1/2 ,中子的同位旋第三分量I3=-1/2。 中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分,虽然原子的化学性质是由最外层电子数决定的,但是如果没有中子,由于带正电荷质子间的排斥力,就不可能构成除氢之外的其他元素。在轻核中含有几乎相等数目的中子和质子;在重核中,中子数则大于质子数,例如铀-238总共有146个中子和92个质子。对于一定质子数的核,中子数可以在一定范围内取几种不同的值,形成一个元素的不同同位素。

  中子不带电而具有磁矩。高能电子、μ子或中微子轰击中子的散射实验显示中子内部的电荷和磁矩有一定的分布,说明中子不是点粒子,而具有一定的内部结构。中子是由3个更深层次的粒子——夸克构成的。

  另外,物理界认为基本粒子跟人一样也是有寿命的。他们说,电子、质子、中微子是稳定的,称为“长寿命”粒子;而其他绝大多数的粒子是不稳定的,即可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子; 一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义。质子是最稳定的粒子,实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。我认为这个特性是不存在的。作为宇宙的基本粒子应该跟宇宙一样是无所谓生,无所谓死的,永远自旋的,是一个永恒、客观的物质存在。物理学家举出的中子是粒子的集合,根本不是最基本的宇宙粒子,其他可以自由衰败的粒子,也不是构成宇宙的基本粒子,应该说,他们也都是粒子集合体。他们应该是最初级的物质复合体。具有长寿的质子,也是粒子复合体,也不属于构成物质的基本粒子。当然现在这只是一种推论。

  不过,如果要是认为宇宙的基本粒子都是有寿命的,那么他们应该是与其他粒子是互相转变,也可能与反物质、暗物质互相转变的。要是这样的话,必然导致基本粒子本身还有自身的复杂结构,否则无法进行转变。这就很可能导致基本粒子还是可分的,也就是再次否认了他们是构成宇宙的基本粒子本身。因此,对比这两种推理,我认为作为宇宙的基本粒子是没有生死的,是个不断自己自旋或者说自振的波粒二象性的粒子。从这种角度来看,我认为目前发现的粒子可能只有光子才可算做基本粒子。

  基本粒子还具有具有对称性的特性,有一个粒子,必存在一个反粒子。1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子,称为正电子;后来又发现了一个带负电,质量与质子完全相同的粒子,称为反质子;随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对正、反粒子相碰可以湮灭,变成携带能量的光子。反之,两个高能光子粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子。

  最后基本粒子都有磁矩。在原子中,电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩;电子还因自旋具有自旋磁矩;原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。分子的磁矩就是电子轨道磁矩以及电子和核的自旋磁矩构成的,磁介质的磁化就是外磁场对分子磁矩作用的结果。磁矩是粒子的内禀属性。每种粒子都有确定的内禀磁矩。

  物理学理论上预言夸克之间有传递夸克(Quark)之间强相互作用的粒子,共8种 ,静质量为0,自旋为1,具有色荷(Color Charge)。他们把这种粒子称为胶子,属于介子一类。由于带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的;与此类比,具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的,所不同的是光子不带电荷,光子本身不能放出或吸收光子;胶子具有色荷 ,胶子之间也有强相互作用,胶子本身可放出或吸收胶子。实验上还未发现自由状态的胶子,但1968年电子对质子的深度非弹性散射实验中,显示质子中有着点状结构,质子的能量只有一半由带电的点状物质所携带,另一半则由中性的无电磁作用的组分所携带。按照夸克模型,这带电的点状结构是夸克,中性的组分就是胶子,实验结果提供了可能存在胶子的迹象。1979年在高能正负电子对撞实验中发现三喷注现象,进一步显示了胶子的存在。

  我认为把一类粒子分成作为传递媒介的介子是不正确的。由于物质与能量是不可分割的。物质是能量的载体,能量是物质运动的体现形式之一。胶子不可能传递能量,而是本身具有能量。夸克之间具有胶子,这很可能是夸克也是可以分的,或者说夸克由胶子组成,可能发射出胶子。因为光子不是传递电磁波的能量,而是电磁波由光子构成。核弹爆炸的本质是作用力使复合物质从新分解成基本物质,于是,基本物质恢复了原来的快速、自由运动的本原,而形成物质能量形式出来。因此,世界很可能根本没有介子这样的传递物质。

  总之,构成宇宙的基本粒子本身是不可分,而且无生死、自旋、共振与其他物质组合、分化的运动体。

  2010年7月20日

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