423、小到无法触及、快到转瞬即逝的微观宝贝

初识量子世界（二）

“小到无法触及；快到转瞬即逝”

让我们来探索你我身心的更深邃、更细微处，

我们是否                          

会面临一个全新的微观世界？

在科普中，我们已经知道，一切物质是由原子组成，

并且，原子内大部分空间是空荡荡的。

原子（原子核及核外电子云），

如同螺旋桨叶片所形成的盘面那样在飞速旋转着。

原子非常小，

但是物理学家所关心的却是比原子还要小的亚原子世界。

当我们把注意力集中在这种微小时空的时候，

我们会“看”到一个刹那生灭的奇景。

无数粒子不断涌现，

其中只有少数粒子寿命很长，

大多数粒子只能存在极短时间。

每一个粒子都以某种方式与其他粒子相互作用着。

在这个极微时空里，

我们将学习物质世界的速度极限；

我们将发现空间与时间的纠缠；

我们还将学习质能互换等量子世界的规律。

这些源于20世纪的量子力学(极小领域的物理)

和狭义相对论(极大领域的物理)，将以

全新的视角改变人们观察世界的方式，

并给我们带来全新的视野。

下面，让我们继续认识亚原子世界，

并从中享受它所带来的盎然天趣： 

一  粒子有多小？

低头看一下自己的身体，

那鲜活的肌肤全是由细胞组成的，

细胞内有许多生物分子，

生物分子内，又有许多原子，

原子很小：1000 万个原子排成一列， 

还没有1英尺的/10 长。

1英尺等于1米。1米（3尺）的 1/10，

即不到1寸那么长。

二、粒子家族简介

在19世纪20年代，人们对于亚原子世界，

只知道有电子和质子，

并认为电子只是在原子内部带负电的点，

电子也能沿着通电流的导线作定向移动。

质子的质量比电子大将近2000倍，

并带正电，质子位于原子的中心，

束缚着电子并使之运行。

当时人们设想质子也存在一个核，

现在知道确实如此，

而且质子群以巨大能量，不断从外层空间涌入地球，

从而形成“宇宙辐射”。

光子（即光的粒子），

是在1926年，为爱因斯坦研究并命名，

当时很多人并没有把光子当作粒子。

因为光子没有（静）质量，

并且它极易产生和湮灭。

不过数年后，物理学家认识到，

这个没有静质量的光粒子，

同样可以被归为粒子之列。

在1924年到1928年，

物理学家们提出了一些令人震撼的思想，

这些思想有:

物理学家发现不仅是光，

所有的物质都有波动性；

微观世界的基本规律是概率性的统计规律

而不是确定性的规律；

对于物质的可测量属性，

其测量精确程度存在着概率性的极限，

并预言任何粒子都有自己的反粒子；

更为令人惊异的是，

物理学家发现，单个电子或光子， 

能够以两种 甚至更多不同的方式运动，

打个宏观世界的比喻不确切的比喻：

好象你能同时既向北又向西地散步；

或者同时在相距遥远的两座城市里品尝咖啡；

还有，很重要的一条原则，

即，没有任何2个电子，

能够同时处在完全相同的状态……

当科学延展到这种

“小到无法触及； 快到转瞬即逝”的亚原子世界时，

事情就变得如此新鲜而奇异：

“固体物质大部分是中空的； 

时间是相对的；   

质量在碰撞前后将会获得或失去；

并且无论输入多么完备的信息， 

其结果都是不确定的。 （参阅《写给所有人的量子物理》PDF版第5页）

三、粒子的标准模型

如您所知，今天物理学家们已经认识到，

夸克是组成质子、中子乃至所有粒子的基本粒子。

之后，物理学家又提出量子世界的标准模型。

这一模型，

包括了电子、光子

以及6 种夸克在内的 24 种基本粒子，

‘标准模型’

可以对所有已观测到的粒子

和它们之间的相互作用进行说明。

标准模型中的粒子有6种是夸克

（图中用紫色表示），

有6种是轻子（图中用绿色表示）。

左边的3列中，每一列构成物质的一代。

再右边一列是规范玻色子，右下角是希格斯玻色子。

现在让我们在心中重复一遍：

标准模型包含了多少基本组分？

从上表可以看出，标准模型中所包含的

基本组分有6种夸克，6种轻子，

再加12种玻色子（媒介粒子），共计24种。

12种玻色子是

（1）胶子- 强相互作用的媒介粒子，8种；

（2）光子- 电磁相互作用的媒介粒子，1种；

（3）W 和 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子，3种。

上述所说24种粒子，不包括引力子

（一种假设的引力粒子）

以及在2012年所观测到的‘希格斯玻色子’。

附图（原子构成 图解） 

anyu.iciba.com 谢谢阅读。