强力与弱力[试读]
1. 牛顿的代表作始于“质量”的定义
到了近代,人类确立了“物质由原子组成”的原子论。该理论告诉我们,物质的质量是构成该物质的原子的质量总和。原子由电子和原子核构成,在原子的内部,电子围绕着原子核旋转。而原子核又可以分解为质子和中子,质子和中子又可以进一步分解为叫作夸克的基本粒子。然而,质子和中子的质量却远远大于组成它们的夸克的质量总和。那么,质子和中子的质量究竟从何而来呢?
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2. 物质的质量是原子质量的总和
进入18 世纪后半期,化学领域斩获了关于质量的重大发现。法国化学家拉瓦锡发现,化学反应前后物质整体的质量不变。参与反应的物质即使各自的质量发生变化,但它们整体的质量总和也保持不变。这就是“质量守恒定律”。 这一发现从定量分析的层面验证了原子论。原子论认为将物质分解后,最终将得到不可再分割的原子。现在我们已经知道原子其实也不是最小单位的粒子,它的内部存在原子核和电子的结构,原子核是由质子和中子构成的,质子和中子又是由夸克组成的。但是,18 世纪后半期还没有确切的证据证明是否真的存在原子。 如果所有物质都是由原子构成的,那么物质的质量应该为“原子的质量× 原子的数量”。但是由于氢、碳、... 查看全部[ 2. 物质的质量是原子质量的总和 ]
3. 粒子发现大繁盛,希腊字母已经不够用了!
实际上,从19 世纪末期到20 世纪初期,我们就已经知道原子是具有内部结构的。在原子的内部,带负电的电子围绕带正电的原子核旋转。在电磁力的作用下,电子与原子核结合在一起形成了原子。 但是,原子核要远远重于电子。原子核的尺寸是电子的2000 倍到20 万倍。因此,我们可以认为原子的质量基本就是原子核的质量。 1932 年,原子核的人工轰击实验告诉我们原子核也不是最基本的粒子,它是由叫作质子和中子的粒子组成的。那么,我们可以认为原子的大部分质量就是质子和中子的质量了吧? 当对于微观世界的理解到达这一层次时,我们身边基本物质的组成就能得到解释了。我们的物质世界是由质子、中子和电子这... 查看全部[ 3. 粒子发现大繁盛,希腊字母已经不够用了! ]
4. 质子和中子的质量并非夸克质量之和
理论物理学家默里•盖尔曼确立了揭示强子内部结构的理论。他认为强子由更加基本的粒子组成(我会在第三章讲述他产生这一想法的原委),质子和中子等重子由3 个粒子组成,π 介子和η、ρ、ψ等介子由2 个粒子组成,这些基本粒子被统一命名为“夸克”。实验也 验证了夸克的存在,目前普遍认为夸克是最基本的粒子。三个夸克组成一个质子或中子,质子和中子构成原子核,原子核与电子结合成原子(图1-1)。那么,原子的质量看起来好像就等于夸克与电子的质量总和。 查看全部[ 4. 质子和中子的质量并非夸克质量之和 ]
5. 物质质量的99% 来自“强力”的能量
同样,原子中使原子核和电子结合在一起的电磁能量也只占原子质量的一亿分之一。因此,可以说原子的质量基本等于原子核的质量。原子核的质量也基本上等于质子和中子的质量。在原子核内把质子和中子牢固结合在一起的是第三章将要讲述的“核力”。核力的能量确实非常大。一枚原子弹之所以具有相当于1.5 万吨TNT 炸药的威力,也是因为核裂变反应中释放出了核力的能量。即便如此,如果用公式E=mc 2 把如此巨大的能量换算成质量,该质量也只是相当于原子核质量的1%。因此,我们可以认为原子核的质量是构成它的质子和中子的质量之和。 于是我们身边的一般物质的质量就可归结于其自身的质子和中子的质量。 进一步讲,质子... 查看全部[ 5. 物质质量的99% 来自“强力”的能量 ]
6. 希格斯玻色子并非“万物的质量之源”
因为质子、中子和介子等强子是由夸克构成的,所以它们并不是最基本的粒子。在标准模型中,电子被认为是基本粒子。因此本书把夸克和电子等标准模型中的基本粒子称为“基本粒子”,除此之外的粒子只称为粒子。 标准模型的基本粒子中,仅有传播电磁力的光子(下一章会详细介绍光子)通过实验被证明了没有质量。光子以外的所有基本粒子都有质量,并且它们的质量起源都与希格斯玻色子有着密不可分的关系。所以当希格斯玻色子被发现的时候,相关报道便称其为“万物的质量之源”。 但是,正如前文所言,基本粒子的质量只是物质总质量的冰山一角。质子和中子的质量基本来源于作用于其间的强力的能量,构成它们的夸克的质量只不过占了1% ... 查看全部[ 6. 希格斯玻色子并非“万物的质量之源” ]