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世界是由什么构成的?

昨天我们聊了什么是最基本的问题,并简单的引进了标准模型,如果你还没看,赶紧猛戳《什么是“基本”?》。今天我们就仔细来说说我们的世界究竟是由哪些粒子构成的。


夸克和轻子


我们现在知道,世间万物从星系、到山峰、再到分子都是由夸克和轻子构成的。但是,这并不是故事的全部。夸克和轻子以完全不同的方式运作,而且对于每一种粒子都有它们相应的反粒子。




物质和反物质


反物质的样子和行为看起来都和它们对应的物质相同,除了它们拥有相反的电荷。比如,一个质子带有正电荷,但是反质子就带有负电荷。引力以相同的方式影响着物质和反物质因为引力并不带电荷性质,物质和反物质也拥有相同的质量。




当物质和反物质相遇时,它们会湮灭变成能量,比如上图中电子和正电子相遇湮灭成伽玛射线。


友情提示:如果哪天你遇到一个反你,千万不要碰他/她哦!!!


什么是反物质?


等等!反物质?湮灭成能量?都是些什么,星际迷航么?


反物质的概念听起来相当奇怪,因为我们看到的宇宙万物都是由物质组成的。反物质好像是万物的破坏者,只要跟被它们接触就会发生湮灭。那么,到底什么是反物质,难道只是理论的产物?当然不是!科学家通过气泡室就能拍摄到反物质的留下的痕迹。(在1953年 - 1970年间,气泡室是一个重要的粒子探测器。)



气泡室的磁场会使带负电的粒子向左旋,带正电的粒子向右旋。如果你仔细看上图,你会发现有很多的电子和正电子对看似不知道从哪里就蹦出来,但其实他们是从光子的产物,光子并不会在云室留下痕迹。正电子(电子的反粒子)的行为模式与电子完全一样,除了往不同方向旋转。


如果反物质和物质完全一样但是拥有相反的电荷,那么为什么宇宙中的物质远远多过反物质?那是因为........


好吧,其实我们并不知道答案。物理学家还在努力的寻找答案。或许是跟电荷宇称不守恒(CP不守恒)有关,之后我会专门再写一篇关于CP不守恒如何解释为何物质多于反物质。在这之前,我建议有兴趣的同学先看看《关于反物质你可能想要知道的10件事》


夸克(Quark)


在日常生活中,我们看见的所有东西都是由质子和中子构成的,而它们又是由更小的夸克组成的。


夸克总共有6种,但物理学家谈起6种夸克时都会把他们分成3对:上(U)/下(D)粲(C)/奇(S)顶(T)/底(B)(这六种夸克都有它们各自对应的反夸克)。



质子和电子分别拥有整数的电荷,分别是+1和-1。而夸克有着非常不同的电荷,它们是分数的。夸克还带有另外一种不同的荷性质,称为色荷。我们之后会再提到。


夸克中最难捉摸的是顶夸克,在理论预言的20年后终于在1995年被发现。


强子、重子和介子


就像爱抱团的大象们,夸克也是群居的“物种”,它们从不单独出现。由夸克构成的粒子统称为强子(Hadron)


尽管单个夸克拥有分数的电荷,但是他们构成的强子总有净整数的电荷。另外,虽然夸克带有色荷,但是强子的净色荷为0.


强子又分为两种:重子(Baryon)介子(Meson)。重子是由三个夸克组成的,质子和中子都属于重子。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的;而中子是由一个上夸克和两个下夸克组成的。介子则包含了一个夸克和一个反夸克。由于介子包含了正反夸克,因此它十分不稳定。但是,有一种叫K介子的家伙活得比其它介子都长,后来发现了K介子是由奇夸克组成的,之所以叫“奇”夸克,是因为它奇怪的“长寿命”。


关于强子一个奇怪的性质是,组成它们的夸克只占了强子本身非常非常小的一部分质量。




好吧,再多说一句,这两年,在加速器里科学家还找到了四夸克和五夸克!有兴趣的同学可以戳《向麦克老人五呼夸克!》


轻子(Lepton)


现在来说说另一种基本粒子——轻子。


刚才我们说过夸克有六种,其实轻子也有六种,自然界就是这么巧夺天工。轻子的其中三种带有电荷而另外三种并没有。它们看起来像个点,并没有内部结构。最广为人知的轻子是电子(e),另外两种带电的轻子分别是μ子τ粒子,跟电子有一样的性质,除了拥有更大的质量。不带电的轻子也就是今年诺贝尔物理学奖的主角——中微子(ν),与其它三种轻子相应,分别有电中微子、μ中微子,和τ中微子。一开始,物理学家认为中微子没有质量,但是后来发现它们有非常小的质量。中微子神秘莫测,非常难探测到。




夸克是群居的粒子,而轻子则独来独往。当然啦,轻子们也都有反轻子哦,比如电子的反电子有个特别的名字叫正电子。


轻子衰变


轻子家族的两个胖子μ和τ,我们并非从普通物质找到它们的。这是因为当它们产生的时候,会以极快的速度衰变,或者转变成较轻的轻子。有时候τ轻子会衰变成一个夸克、一个反夸克和一个τ中微子。电子和其它三种中微子很稳定,所以在生活中常见。



物理学家发现有有一些类型的轻子衰变有可能发生而另一些则不可能。为了解释这个,他们把轻子归类为三个家族:电子和电中微子,μ子和μ中微子,τ粒子和τ中微子。在衰变过程中,每个家族成员的数目必须是常数。(同一个家族的粒子和反粒子会互相抵消使他们的总量等于零。)


虽然轻子虽然独来独往,但是他们都对自己的家族非常忠诚!


中微子


中微子几乎不和其它的粒子相互作用,从太阳辐射出的中微子几乎都是直接穿过地球而不与地球上的任何一粒原子作用。下图是在加拿大一个地下2100米的一个实验室,利用重水来探测三种中微子,并解释了太阳中微子的失踪之谜。




中微子可以在不同的作用中产生,特别是在粒子衰变中。举个例子,下面是一个在放射性原子核内一个静止的(零动量)中子,正蠢蠢欲动的准备衰变了。

步骤:(1)中子衰变释放除了一个质子和一个电子。(2)根据动量守恒定理,衰变后的产物的总动量必须是零,但观测到的质子和电子明显不遵守(如果只有两个两个衰变产物,它们必须是背对背释放出去)。(3)所以,物理学家预测有另一种粒子存在来保持事件动量的守恒。(4)其实在这个衰变过程中会放出一个反中微子。


在宇宙的早期,大量的中微子被创造,但它们几乎不与其它物质作用,因此现在宇宙中遍布着中微子。


一张图总结今天提到的基本粒子:




至此,我们已经基本了解了构成世界物质的基本粒子,以及他们的一些简单的性质。但是,你以为这就是全部?呵呵,事情才没那么简单,但是我准备留到以后再说。


预告:明天我们将会说到昨天提到的第二个问题:是什么把物质束缚在一起?

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