第11章 基本粒子和自然的力(1)[第1页/共4页]

亚里士多德信赖物质是持续的，也就是说，人们能够将物质无穷制地豆割成越来越小的小块。即人们永久不成能获得一个不成再豆割下去的最小颗粒。但是几个希腊人，比方德谟克里特，则对峙物质具有固有的颗粒性，并且以为每一件东西都是由大量的各种分歧范例的原子构成（原子在希腊文中的意义是“不成分的”）。争辩一向持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。但是1803年英国的化学家兼物理学家约翰・道尔顿指出，化合物老是以必然的比例连络而成的，这一究竟能够用由原子聚合一起构成称作分子的个别来解释。但是，直到本世纪初这两种学派的争辩才以原子论者的胜利而告终。爱因斯坦供应了此中一个首要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的闻名论文颁发前的几周，他在颁发的另一篇文章里指出，所谓的布朗活动――浮在液体中灰尘小颗粒的没法则随机活动――能够解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。

用上一章会商的波粒二象性，包含光和引力的宇宙中的统统都能以粒子来描述。这些粒子有一种称为自旋的性子。考虑自旋的一个别例是将粒子设想成环绕着一个轴自转的小陀螺。但是，这能够会引发曲解，因为量子力学奉告我们，粒子并没有任何表面清楚的轴。粒子的自旋真正奉告我们的是，从分歧的方向看粒子是甚么模样的。一个自旋为0的粒子像一个点：从任何方向看都一样 。另一方面，自旋为1的粒子像一个箭头：从分歧方向看是分歧的 。只要把它转过一整圈 时，这粒子才显得一样。自旋为2的粒子像个双头的箭头 ：只要把它转过半圈 ，它看起来便一样。近似地，把更高自旋的粒子转了整圈的更小的部分后，它看起来便一样。统统这统统都是如许的直截了当，但惊人的究竟是，把有些粒子转过一圈后，它仍然显得分歧：你必须使其转两整圈！如许的粒子就说具有1/2的自旋。

存在有几种分歧范例的夸克――有六种“味”，这些味我们别离称之为上、下、奇、粲、底和顶。20世纪60年代起人们就晓得前三种夸克，1974年才发明粲夸克，1977年和1995年别离发明底和顶夸克。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须夸大，这些术语仅仅是标签：夸克比可见光的波长小很多，以是在凡是意义下没有任何色彩。这只不过是当代物理学家仿佛更富有想像力地定名新粒子和新征象的体例罢了――他们不再让本身受限定于希腊文！）一个质子或中子由三个夸克构成，每个夸克各有一种色彩。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克；一其中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们能够创生由其他种类的夸克（奇、粲、底和顶）构成的粒子，但统统这些都具有大很多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。

在量子力学中，统统物质粒子之间的力或相互感化都以为是由自旋为整数0、1或2的粒子照顾。所产生的是，物质粒子――比方电子或夸克――收回照顾力的粒子。这个发射引发的反弹，窜改了物质粒子的速率。照顾力的粒子然后和另一个物质粒子碰撞并且被接收。这碰撞窜改了第二个粒子的速率，正如同这两个物质粒子之间存在过一个力。照顾力的粒子不从命泡利不相容道理，这是它们的一个首要的性子。这表白它们能被互换的数量不受限定，如许它们便能够引发很强的力。但是，如果照顾力的粒子具有很大的质量，则在大间隔上产生和互换它们就会很困难。如许，它们所照顾的力只能是短程的。另一方面，如果照顾力的粒子本身质量为零，力就是长程的了。因为在物质粒子之间互换的照顾力的粒子，不像“实”粒子那样能够用粒子探测器检测到，以是称为虚粒子。但是，因为它们具有可测量的效应，即它们引发了物质粒子之间的力，以是我们晓得它们存在。自旋为0、1或2的粒子在某些环境下也作为实粒子存在，这时它们能够被直接探测到。对我们而言，现在它们就闪现出典范物理学家称为颠簸情势，比方光波和引力波的东西。当物质粒子以互换照顾力的虚粒子的情势而相互感化时，它们偶然便能够被发射出来。（比方，两个电子之间的电架空力是因为互换虚光子而至，这些虚光子永久不成能被检测出来；但是如果一个电子从另一个电子边穿过，则能够放出实光子，它作为光波而被我们探测到。）照顾力的粒子遵循其强度以及与其相互感化的粒子能够分红四个种类。必须夸大指出，这类将力分别红四种是报酬的；它仅仅是为了便于建立部分实际，而并不别具深意。大部分物理学家但愿终究找到一个同一实际，该实际将四种力解释为一个伶仃的力的分歧方面。确切，很多人以为这是当代物理学的首要目标。比来，将四种力中的三种同一起来已经有了胜利的端倪――我将在这一章描述这些内容。而关于同一余下的另一种力即引力的题目将留到今后。