基本粒子和自然的力亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四.PDFVIP

第五章　基本粒子和自然的力 亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成的。 有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指空气和 火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。 亚里士多德认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越 小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而有几个希腊人， 例如德漠克里特，则坚持物质的固有的颗粒性，而且认为每一件东西都是由不同种类的 大量的原子所组成（在希腊文中原子的意义是“不可分的”）。争论一直持续了几个世 纪，任何一方都没有任何实际的证据。直至1803年英国的化学家兼物理学家约翰·道尔 顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的。这一事实可以用来解释所谓分子的单元 是由原子组成的。然而，直到本世纪初这两种学派的争论才以原子论的胜利而告终。爱 因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的著名论文发表前 的几周，他在所发表的另一篇文章里指出，所谓的布朗运动——悬浮在液体中的尘埃小 颗粒的无则规的、随机的运动——可以解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。 当时已经有人怀疑这些原子终究不是不可分割的。几年前，一位剑桥大学三一学院 的研究员汤姆逊演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子所具有的质量比最轻 原子小1千倍。他使用了一种和现代电视显像管相当类似的装置：由一根红热的金属细丝 发射出电子，由于它们带负电荷，可用一电场去将其加速飞到一个涂磷光物质的屏幕上。 电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。人们很快即意识到，这些电子必须从原子里 出来。英国物理学家恩斯特·卢瑟福在1911年最后证明了物质的原子确实有内部结构： 它们是由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着它转动的一些电子组成。他是根据从 放射性原子释放出的带正电荷的。粒子和原子碰撞会引起的偏折这一现象，以及分析了 此偏折的方式后而推出这一结论的。 最初，人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的叫做质子的粒子所组成。质 子是由希腊文中的“第一”演化而来的，因为质子被认为是组成物质的基本单位。然而， 卢瑟福在剑桥的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年发现，原子核还包含另外称为中子 的粒子，中子几乎具有和质子一样大的质量但没有带电荷；查德威克因此而获得诺贝尔 奖，并选为剑桥龚维尔和凯尔斯学院（我即为该学院的研究员）院长。后来，他因为和 其他人不和而辞去院长的职务。一群战后回来的年轻的研究员将许多已占据位置多年的 老研究员选掉后，曾有过一场激烈的辩论。这是在我去以前发生的；在这场争论尾声的 1965年我才加入该学院，当时另一位获诺贝尔奖的院长奈维尔·莫特爵士也因类似的争 论而辞职。 直到20年以前，人们还总以为质子和中子是“基本”粒子。但是，将质子和另外的 质子或电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成的。加州理工 学院的牟雷·盖尔曼将这些粒子命名为夸克。由于对夸克的研究，他获得1969年的诺贝 尔奖。此名字起源于詹姆斯·约依斯神秘的引语：“Three quarks for Muster Mark！” 夸克这个字应发夸脱的音，但是最后的字母是k而不是t，通常和拉克（云雀）相押韵。 存在有几种不同类型的夸克——至少有六种以上的“味”，这些味我们分别称之为 上、下、奇、魅、底和顶。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须强调，这 些术语仅仅是记号：夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有任何颜色。这 只不过是现代物理学家更富有想像力地去命名新粒子和新现象而已——他们不再将自己 限制于只用希腊文！）一个质子或中子是由三个夸克组成，每个一种颜色。一个质子包 含两个上夸克和一个下夸克；一个中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们可用其他种 类的夸克（奇、魅、底和顶）构成粒子，但所有这些都具有大得多的质量，并非常快地 衰变成质子和中子。 现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子都不是不可分的。问题在于什么 是真正的基本粒子——构成世界万物的最基本的构件？由于光波波长比原子的尺度大得 多，我们不能期望以通常的方法去“看”一个原子的部分，而必须用某些波长短得多的 东西。正如我们在上一章　所看到的，量子力学告诉我们，实际上所有粒子都是波动， 粒子的能量越高，J则其对应的波动的波长越短。所以，我们能对这个问题给出的最好的 回答，取决于我们的设想中所能得到多高的粒子能量，因为这决定了我们所能看到的多 小的尺度。这些粒子的能量通常是以称为电子伏特的单位来测量