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什么是“基本”?

小编:“我的本意是想聊一聊万物之理——弦理论,但是在聊弦理论之前,我想先从标准模型开始说起,故事在千年之前就已开始.......”


永恒的问题


千年以来,人类一直思索着两个问题:


  1. 我们的世界是由什么构成的?

  2. 又是什么把物质紧紧地束缚在一起?


对基本的追求


为什么世间的万物都有着一些共同的性质?人们很快就意识到,我们世界的物质其实是由自然界的一些基本单元构成的。在这里,“基本”是一个关键词。我们说基本单元是指非常简单、无结构的,也就是不能再由更小的物质构成的单元。早在两千多年前的时候,古希腊的哲学家就把我们世界的基本单元分为四种元素:土、气、火和水。



原子


感觉上,存在是缤纷的色彩,浓郁的芬芳,深深的痛苦;但实际上,存在的是原子和空间。——德谟克利特


两千多年前,德谟克利特提出物质是由不可分割的原子组成。但是直到1897年,汤姆逊发现了电子后,才提出了第一个现代原子模型:呈圆球状的原子,充斥着正电荷,而带负电荷的电子则像一粒粒葡萄干镶嵌其中。



但是,原子就是最基本的么?


科学家很快认识到他们可以把不同的原子分类,把拥有相似化学性质的原子分组,就是大家熟悉的“元素周期表”。元素周期表暗示着原子是由更基本的单元构成的,这些基本单元组合形成不同的原子,不同的组合给出了不同的化学性质。


此外,通过实验科学家试图“窥视”原子的内部结构,实验表明原子并不仅仅是一个黏糊糊的球状,而是由一个极小但是密度较高带正电的原子核和围绕着原子核带负电的电子组成的。


那么,原子核是最基本的吗?


因为原子核非常小,密度又高,科学家一度认为原子核就是最基本的。但是,很快的,科学家发现原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。


难道说,质子和中子才是最基本的?


如果你这么想,那就too young,too simple了。很快的,就连质子和中子都被发现不是最基本的,而是由更小的夸克组成的。夸克在几何上就像点一样的存在,就目前所知,夸克不能再被分割了。


不断的实验,又实验,科学家最后终于达成协议宣布,夸克和电子是最基本的单元


现代原子模型


电子围绕的原子核不停的运动,质子和中子被束缚在原子核内,夸克则在原子和中子内不停的抖动。




这张图片并不代表了原子的真实大小。如果中子和质子的直径是一厘米,那么电子和夸克比头发的直径还小,而整个原子的直径就有30个足球场的长度那么大!这个比喻只是为了说明在原子内部,百分之99.999999999999的空间都是“空”的。


原子的大小


原子是非常小的,而原子核比原子小1万倍,夸克和电子则比原子核小至少1万倍。科学家并不知道夸克和电子到底有多小,但它们的大小肯定比10的负18次方还小,它们原则是只是一个点,但是我们并不知道。



或许夸克和电子也并非是最基本的单元,它们本身也是由更小的单元构成。啊啊啊~~到底有完没完!


我们在寻找什么?


物理学家不断的在寻找新的粒子。当他们找到新的粒子,他们就会把新粒子归类并找出粒子间是如何相互作用的。


科学家大概找到了两百多种粒子(有很多不是基本的)。为了辨别这些不同的粒子,科学家用希腊和罗马字母给它们命名。


当然,对粒子命名只是理论物理中非常小的一部分。如果你无法记住所有的粒子不要灰心。记住!伟大的物理学家费米曾经对他的学生(后来的诺贝尔得住)莱德曼说过:“年轻人,如果我能记住所有这些粒子的名字,我就会是一名植物学家了!”



标准模型


物理学家在上个世纪发展了一个完整的理论,称为标准模型,用于解释世界是由什么构成的以及是什么把物质束缚在一起。标准模型解释了所有的粒子和粒子间复杂的相互作用。标准模型只包括了:


  • 6个夸克。

  • 6个轻子;如电子。

  • 力的携带粒子;如光子。



所有已知的物质都是由夸克和轻子结合的,它们通过交换力的携带粒子相互作用。标准模型在很高的实验精度上被验证,它预言的所有粒子也都被找到,最后一个希格斯粒子也在不久前被找到。但是它并没有解释所有的事情。比如,引力和暗物质并没有被包括在标准模型内。


预告:明天我将继续深入探讨开篇提出的第一个问题“我们的世界是由什么构成的?”

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