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法珍的博客

密法原无密,自性本具足

 
 
 

日志

 
 

探索无限小的粒子世界  

2012-08-03 16:02:51|  分类: 核能 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  科学家发现分子,其实还不是物质的最基本结构,因为分子还可能会发生变化,所以一定是比分子更基本的结构重新组合,才会发生分子变化的事。举例来说,像碳酸钙这种粉末一般是非常稳定了,可是如果把它滴上一些酸液,就会发现它被酸液腐蚀冒烟产生气体和其它残留物。这表示这些分子结构已经发生了重组,才会出现不同的产物。

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 在这样的发展下,于是人类发现了原子的存在,并由门得列夫整理出「周期表」这个规律性。藉助于原子这个简单的规则,人们就很容易理解所有化学反应的发生。

然而物质的基本元素已经超过一百多种了,其实一点也不基本。加上当时对于电磁学的研究,科学家们就兴致勃勃的希望把原子分解得更彻底。于是原子就被分成带正电的「原子核」跟带负电的「电子」两个部分。一直到1930年代初期才被物理学家找到中子,也直接推动了原子弹的研发。

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 在1960年代开始出现了「夸克模型」(quark model)和「部分子模型」(parton model)来解释质子、中子、其它粒子及更小结构的问题。即使实验室一直没有直接找到单独的夸克,但是夸克模型主宰了近三十年来粒子物理的发展主轴。

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虽然夸克模型非常成功,可是实验物理学家始终无法把夸克单独分离出来,他们只能找到1个正夸克跟1个反夸克的介子(meson)和3个同正或同反夸克组成的强子(hadron)。这种一定要搭配出现的现象使物理学家很困惑,最后科学家们只好归纳出它的一些特性,成为一个叫做量子色动力学的理论。

这个理论假设所有的夸克都带有某种量子数,他们戏称它为颜色,因为它们的组合就好像三原色色光的组合一样。假设每个夸克都带有三原色中的一种颜色,而自然界可以出现的粒子一定要是白色的,所以夸克只能跟带着互补色的反夸克一起组合成无色的介子;或者,它也可以由分别带有三原色的3个夸克组成强子。这样的理论其实只是描述夸克组合的行为特性,并没有解释色动力学的真正原理。

目前粒子物理所能探索的最小结构只到夸克和轻子,作用力则只到4种作用力。 

各种基本粒子都带有很明显的自旋(Spin)数。根据量子力学,任何粒子(不限于基本粒子)的自旋角动量必须量子化,且量子化后必须是1/2的整数倍(包括零),而自旋为1/2的奇数倍的粒子又称为费米子(Fermion),自旋为1/2的偶数倍的粒子又称为玻色子(Boson)。这两种粒子的主要分别,在于同一类费米子(例如电子)的每一个粒子都具有不同的能态,而玻色子则无此限制。换句话说,当一个费米子占住了一个能态后,就排斥其它同类的费米子占同一能态。这一种现象,在物理中称为「不兼容原理」(Exclusion principle)。

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 1、费米子分为两类:夸克和轻子。
    (1)夸克共有6种,及各自的反粒子,这6种夸克又可分为3「代」。依序是:
            第一代:u(上夸克)、d(下夸克);
            第二代:s(奇夸克)、c(魅夸克);
            第三代:b(底夸克)、t(顶夸克)
    (2)轻子:比质子轻的费米子称为轻子(Lepton),共存在6种轻子和他们各自的反粒子。
                     其中3种是电子和与它性质相似的 μ 子和 τ 子。
                     而这三种各有一个相伴的微中子。他们也可以分为三代:
            第一代:电子(Electron,e -);电微中子(νe)
            第二代:缈子(Muon,μ -);缈微中子(νμ)
            第三代:陶子(Tauon,τ -);陶微中子(ντ)

2、玻色子分为两类:规范玻色子及希格斯粒子,这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子,并不遵守「不兼容原理」。
    (1)规范玻色子:自然界一共存在四种基本交互作用力,因此也可以把这些玻色子分成四类:
            a)万有引力:引力子(graviton)
            b)电磁作用力:光子(photon)
            c)弱作用力:W 及 Z 玻色子,共有3种:W + 、W ? 、Z0
            d)强作用力:胶子(gluon)
    (2)希格斯粒子(Higgs)尚未在加速器上产生出来【注1】,物理学家们认为希格斯粒子与其它粒子的相互作用而使其它粒子具有质量,其相互作用越强质量就越大。

但是,根据以往数千年来的经验,很多人都不同意这些就是宇宙最终的基本原理,所以探索宇宙最终真理的努力一直没有停止过。不过,由于探索的粒子越来越小,所需的加速器能量越来越高,经费自然跟着水涨船高。现在全世界几乎没有一个国家能够独立负荷建造粒子加速器的费用,即使是美国也在前几年因为负担不起,而中止了新超导超级加速器(SSC)的建造,因此基本粒子的探索,遇到了严重的瓶颈而沉寂。

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整理自网络诸文章 
 

【注1】集合上万名科学家与工程师,百余个国家的合作,九亿美金(270亿台币)的成本预算与耗时十年的建造,这个位于欧洲瑞士和法国交界的圆形「大型重子加速器(LHC)」埋在地下深175米,圆周27公里。 现在CERN的团队已经99.9999%确定希格斯粒子的存在。

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