第208章 開(kāi)學(xué)第一課
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不論是加拿大的薩德伯里隕石坑,還是南非的費(fèi)里德堡隕石坑,有證據(jù)表明都曾引起火山噴發(fā)。大規(guī)模的火山活動(dòng)能直接導(dǎo)致許多物種的滅絕。大范圍的火山噴發(fā)會(huì)增加大氣層中的灰塵,首先使一段時(shí)期的氣候持續(xù)變冷,然后逐漸導(dǎo)致相應(yīng)的球破壞性氣候變暖,最后是致命的酸雨。 人們知道,恐龍是古代一種大型爬行動(dòng)物,如果中生代末期它們不滅絕,那么處于蒙昧?xí)r代的古猿至少?zèng)]有機(jī)會(huì)變成現(xiàn)代的人。那么恐龍是怎樣來(lái)滅絕的呢?科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),在白堊紀(jì)——第三邊界沉積層堆積著一層厚約幾十厘米的白色粉末,那是地球上極為罕見(jiàn)的氨基酸。 因此,他們推斷6500萬(wàn)年前一顆直徑約10公里的隕石與地球相撞,撞擊后的巨大爆炸使大多數(shù)恐龍立刻死去,爆炸后的粉末籠罩在大地上空,數(shù)年之久,土溫驟變,致使恐龍無(wú)一幸存,而恐龍的滅絕卻給其它新生動(dòng)物帶來(lái)了生機(jī),比如哺乳動(dòng)物的出現(xiàn),古猿也被迫走出森林。 隕石促成了人類的產(chǎn)生,由于隕石的影響,促進(jìn)了生物的產(chǎn)生。進(jìn)化,發(fā)展,但隕石也會(huì)帶來(lái)毀滅人類的危害性。比如沒(méi)入大西洋海底的古文明大陸大西洲,因?yàn)樗幱谏厦嫠岬降拇笪餮缶扌碗E坑的邊上,創(chuàng)造出燦爛的瑪雅文化的古印第安人之所以突然失蹤,也是因?yàn)樵谒麄兡抢飼r(shí)常有隕石出現(xiàn)? 在不斷發(fā)展著的今天,身外是個(gè)充滿神奇的世界,同時(shí)也充滿著危險(xiǎn)。 曙光學(xué)院地下城的教室里,華楓,云夢(mèng),白鳳等眾學(xué)員正安靜的坐在臺(tái)下,迎接他們秋季開(kāi)學(xué)的第一課。 “同學(xué)們!歡迎你們重新回到教室,下面我要講的是種非常重要的物質(zhì)——粒子。”老師的聲音拉長(zhǎng),以便引起足夠的重視。 “粒子(pa ticle),是指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組成部分。最早發(fā)現(xiàn)的粒子是原子、電子和質(zhì)子,1932年又發(fā)現(xiàn)中子,確認(rèn)原子由電子、質(zhì)子和中子組成,它們比起原子來(lái)是更為基本的物質(zhì)組分,于是稱之為基本粒子。 以后這類粒子發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多,累計(jì)已超過(guò)幾百種,且還有不斷增多的趨勢(shì);此外這些粒子中有些粒子迄今的實(shí)驗(yàn)尚未發(fā)現(xiàn)其有內(nèi)部結(jié)構(gòu),有些粒子實(shí)驗(yàn)顯示具有明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)??磥?lái)這些粒子并不屬于同一層次,因此基本粒子一詞已成為歷史,如今統(tǒng)稱為粒子。粒子并不是像中子、質(zhì)子等實(shí)際存在的具體的物質(zhì),而是它們的統(tǒng)稱,是一種模型理念。 1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子,1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而我們發(fā)現(xiàn)了光子,并認(rèn)為“光子、電子、質(zhì)子、中子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子,所以把它們叫“基本粒子 ”?!?/br> 接下來(lái)華楓在近乎神由的狀態(tài)下,了解到更多,包括19世紀(jì)末都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒。發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子后,許多人認(rèn)為光子和它們是組成物質(zhì)的“基本粒子”。 逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的不由質(zhì)子、中子、電子組成的新粒子;又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)后半期起,就將“基本”二字去掉,統(tǒng)稱為粒子。 20世紀(jì)30年代以來(lái),人們?cè)趯?duì)宇宙射線的研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。 粒子之間存在著相互作用 ,有強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用,其中引力相互作用非常弱,可以忽略。通過(guò)這些相互作用,產(chǎn)生新粒子或發(fā)生粒子衰變等粒子轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。 按照參與相互作用的性質(zhì)將粒子分成以下幾類規(guī)范粒子。即傳遞相互作用的媒介粒子,已發(fā)現(xiàn)的有傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的w、z粒子。輕子。不直接參與強(qiáng)作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子,已發(fā)現(xiàn)的有電子、μ子、t子和相伴的電子中微子ve、μ子中微子、t子中微子及它們的反粒子共12種。 強(qiáng)子,直接參與強(qiáng)作用,也參與電磁作用和弱作用的粒子。其中自旋為整數(shù)的強(qiáng)子稱為介子,自旋為半整數(shù)的強(qiáng)子稱為重子。強(qiáng)子的數(shù)目眾多,其中大部分是通過(guò)強(qiáng)作用衰變的粒子,其壽命極短,是不穩(wěn)定的粒子,也稱為共振態(tài)。 各種粒子分別有各自的內(nèi)稟性質(zhì),有粒子的質(zhì)量(靜質(zhì)量,以能量表示)、壽命t(平均壽命,指靜止系的平均壽命)、電荷q(以質(zhì)子的電荷為單位)、自旋j(以為單位)、宇稱p、同位旋i、同位旋第3分量i3、重子數(shù)b、輕子數(shù)le、、l 、奇異數(shù)s、粲數(shù)bsp; 、底數(shù)d等等。 在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的精度下,輕子的行為類似點(diǎn)粒子,沒(méi)有顯示出具有內(nèi)部結(jié)構(gòu),而強(qiáng)子顯示是復(fù)合粒子,具有一定的結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)代粒子物理的觀點(diǎn),介子由一對(duì)正反夸克構(gòu)成,重子由3個(gè)夸克構(gòu)成,輕子和夸克屬于同一層次。 基本粒子是構(gòu)成一切物質(zhì)實(shí)體的基本成分;也指量子理論中有基本力的粒子。 嚴(yán)格地說(shuō),基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這一定義下,只有夸克和輕子兩種基本粒子。但是,雖然質(zhì)子和中子由夸克組成,這兩類重子都不可能分解為它們的夸克成分,因?yàn)楠?dú)立的夸克是不能存在的。所以,盡管質(zhì)子和中子以及其他重子由夸克組成,它們常被看成是基本粒子。 直到19世紀(jì)末,原子一直被認(rèn)為是物質(zhì)的基本建筑砌塊。后來(lái),英國(guó)粒子物理學(xué)先驅(qū)、劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(josephjoh thoso ,1856—1944),發(fā)現(xiàn)原子產(chǎn)生的一種輻射能夠用原子自身分裂出來(lái)的帶電微粒流來(lái)解釋,知道這種帶電微粒就是電子 。 既然電子帶負(fù)電荷,而原子呈電中性,很明顯,原子內(nèi)部必然有另外的帶正電荷的粒子,以抵消電子的負(fù)電荷。20世紀(jì)初葉,工作于曼徹斯特的新西蘭裔物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(e estruthe fo d,1871—1937)(后來(lái)繼湯姆孫任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任)證明,這一正電荷與原子的大部分質(zhì)量一起,都集中在很小的中心核內(nèi)。 起初人們認(rèn)為,原子核是電子與荷正電的質(zhì)子的混合物。到了1932年,也在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作的詹姆斯·查特威克(jaschadwick,1891—1937)才發(fā)現(xiàn)了不帶電的質(zhì)量幾乎與質(zhì)子一樣的中子。于是原子核被解釋成由強(qiáng)核相互作用,或強(qiáng)力,維持在一起的質(zhì)子和中子的集合。 那時(shí),這三種粒子——電子、質(zhì)子和中子 ——似乎是構(gòu)成一切物質(zhì)的僅有基本粒子,但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實(shí)驗(yàn)卻表明,還存在其他類型‘亞原子’粒子;不過(guò)這些‘新’粒子是不穩(wěn)定的,它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射,以我們熟悉的電子、質(zhì)子和中子告終。 重要的是應(yīng)該懂得,這些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質(zhì)子)的‘內(nèi)部’;它們是從注入加速器的能量中,按照阿爾伯特`愛(ài)因斯坦的公式(或者,在所討論的情況下,更恰當(dāng)?shù)氖?創(chuàng)造出來(lái)的。 然而,在它們的短暫壽命期間,它們是具備質(zhì)量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子,應(yīng)該曾經(jīng)在大爆炸的高能條件下大量出現(xiàn)。 物理學(xué)家不知道如何將這些粒子納入一個(gè)圓滿的物理理論,他們?cè)噲D解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時(shí),仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力,想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什么東西制造的呢? 1964年物理學(xué)家蓋爾曼提出夸克模型,認(rèn)為強(qiáng)子由更基本的成分組成,這種成分叫做夸克qua k??淇四P徒?jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已被多數(shù)物理學(xué)家接受。 有一段時(shí)期,局面極其混亂。但1960和1970年代發(fā)展的夸克理論使局面趨于明朗??淇死碚撜J(rèn)為,所有已知粒子可以分成兩族。一族由夸克組成,能夠‘感知’只在夸克之間起作用的強(qiáng)力,叫做強(qiáng)子。另一族叫做輕子,它們不能感知強(qiáng)力,但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用),比如,放射衰變(包括β衰變)過(guò)程就是弱相互作用引起的。強(qiáng)子既能參與強(qiáng)相互作用,也能感知弱力。 輕子是名副其實(shí)的基本粒子,它們不由任何別的東西構(gòu)成。典范的輕子就是電子,電子與另一種叫做中微子(嚴(yán)格說(shuō)應(yīng)是電子中微子)的輕子相伴生。當(dāng)電子參與放射衰變這類過(guò)程時(shí),總有中微子卷入。 由于一些無(wú)人知曉的原因,這一基本圖像已經(jīng)復(fù)制了兩次,產(chǎn)生了三‘代’輕子。除電子本身外,還有比較重的叫做μ介子,它們除了比電子重207倍外,完像是電子;還有一種甚至更重的粒子叫做t粒子,它的質(zhì)量接近質(zhì)子的兩倍。 這兩種重電子各有其自己的中微子,所以輕子族有六種(三對(duì))粒子。雖然μ介子和t粒子都能在粒子加速器中用能量制造或從宇宙線產(chǎn)生,但它們很快衰變,轉(zhuǎn)化成電子或中微子。 。