粒子物理简史(Pauline Gagnon著)

这本书是由宝琳·加尼翁(Pauline Gagnon)著,由北大物理学教授钱思进译。我对其中紧要内容进行摘录一些。


1、物质是由不可分的原子组成的。

2500年前,有两位希腊哲学家——留基波(Leucippus)和他的追随者德谟克利特(Democritus)指出,所有的物质都是由原子和空洞的空间组成的。

\(\)1.6×10^-19\(\)

在古希腊语中,原子的意思是“不可分割”,即不可分解成更小的部分。

2、普通物质是由电子和夸克的组成。

然而,我们现在知道,这些原子是复合物体,可以分解为更小的组分。

(图来自GERN,即欧洲核子中心)

如上图,原子这个复合物体的内部有一个包含质子和中子的原子核(原子核里的中子和质子是由夸克组成的)。电子在原子核的周围形成(概率)云。在原子内部,只有夸克和电子是真正的基本粒子,即它们不能被分解成更小的组分,是不可分割的粒子。

原子大部分是由空洞的空间构成的。为了感觉原子的大小,想象一下原子核像你的身体一样大。然后,电子将比尘埃还细小,在约20千米以外围着你转。因此,物质主要由真空和一些基本粒子组成。

质子和中子是由夸克组成的。我们通过组合两个上夸克与一个下夸克来获得质子。上夸克具有+2/3的电荷,即电子的单位电荷的三分之二。下夸克有-1/3的电荷。因此对于质子,我们具有上+上+下,或+2/3+2/3-1/3=1,从而电荷为+1。中子包含两个下夸克和一个上夸克;因此我们有+2/3-1/3-1/3=0,所以它是电中性的。

电荷

基本粒子的最著名的特性之一就是它们的电荷,因为它不仅表现在亚原子层面,而且也表现在我们的宏观尺度上。

电子的电荷为-1,这个数值构成电荷的基本单位。

电子电荷产生电力,电流只是电子在导体里的运动。电力与小溪里的水流非常相似,移动的电子就像水滴一样,每个都携带一个电荷单位,每秒通过的总水量给出水流量。类似地,每秒通过的电子总数给出电流,其强度以安培或每秒库伦为单位。在这些单位中,电子电荷仅为1.6×10^-19库仑,即0.00000000000000000016库仑。因此,每秒必须通过600亿亿个电子才能产生1安培的电流。电压,或势能差,则对应于海拔的变化:小溪向下流得越陡,水的能量越多。
在很长一段时间里科学家们都相信,电子的电荷是最小的电荷单位。然而,夸克具有该电荷的分数值,恰好是电子电荷的1/3或2/3。这是为什么呢?我们不知道,正如我们不知道为什么不存在只有半个电子电荷的粒子。基本粒子的电荷总是以电子电荷的倍数来表示,并且可以是正的或负的。电荷可以叠加:负电荷可以中和等量的正电荷。
电荷严格地遵守“守恒”规则:当一个粒子衰减时,即当一个不稳定的粒子分解成几个其他粒子时,次级粒子的所有电荷的总和必须等于初始粒子的电荷数。中性粒子可以分解成两个粒子,一个带正电,另一个带负电。携带负电荷的粒子可以衰变成一个负电粒子和一个中性粒子,或者两个负电粒子和一个正电粒子。电荷永不消失,也不会无中生有。

标准模型

在过去的50年里,科学家们开发了一个非常精确的理论模型来描述物质的基本组成部分和作用在它们上的力。这个模型帮助我们根据其特性对目前观察到的所有粒子进行分类,该模型是在实验和理论的密切配合下形成的。物理实验室里的发现是理论物理学家们可以建立理论模型的基础,这些模型是对物质世界的有逻辑的和连贯的表述。通过实验观察,可以确认或排除各种理论。同样,理论上的假设可以指导实验工作者进行探索。
当前的粒子物理理论模型称为标准模型。它来源于两个相当简单的想法,在某种程度上就是模型的基本原则:·第一原则:所有物质都是由基本粒子组成的。·第二原则:所有这些基本粒子之间的相互作用是通过交换其他基本粒子来实现的。
经过近一个世纪的研究,我们现在知道,自然界中有12种基础的物质颗粒,都是基本粒子(图1.5)。它们分为两类:轻子和夸克。

轻子

6个轻子中最著名的是电子。2个其他的带电粒子——μ子和陶子,非常类似于电子,但重得多。所有这些轻子携带-1的电荷。

当电子产生时,它总是带有一个电子中微子或者一个称为正电子的反电子。

对于μ子和陶子也是如此:每一个都总是与自己的中微子或它的反粒子一起产生。

像中子一样,中微子是电中性粒子,但是要小得多,正如它们的名字意味着“小中子”。没有电荷,它们极少与物质相互作用。例如,地球表面每平方厘米的面积每秒钟都会承受来自太阳发射的7万亿个电子中微子的撞击。在所有这些中微子中,只有少数几个会与地球上的物质原子相互作用。其他中微子会穿越地球,甚至都不停下来打一声招呼!

 

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