冰人幽灵--中华小说网

    由夸克组成的强子家族，只是基本粒子世界的一员，在那个极微世界里，新发现的粒子似乎层出不穷，永远都没有结束的时候。目前已知的基本粒子已达到数百种，足可以组成一个庞大的“粒子动物园”。这样众多粒子的存在向我们提出了一些问题：究竟为什么它们要存在？它们在粒子的各种相互作用中起什么作用？它们彼此之间是如何联系的？它们是否是由某些更基本的粒子组成的？

    轻子家族

    今天公认的基本粒子可分为三大类：轻子类、夸克类（即强子类）和媒介粒子类。其中夸克类粒子全部由夸克组合而成，前文已详细介绍，不再赘述，在此重点介绍轻子类和媒介粒子类。

    轻子是类点的、无结构的粒子。轻子具有如下两个性质：轻子只参与弱相互作用和电磁相互作用，不受强力影响，其中中微子只参与弱相互作用；轻子必定以“粒子—反粒子”对的形式产生或湮灭，总的轻子数（轻子的数目减去反轻子的数目）在我们所知道的一切过程中保持不变。

    我们最熟悉的轻子就是电子，它是一个极轻的粒子（约是一个核子质量的1/1800），带1个单位负电荷。已知的轻子有六种，其中三种带电的轻子是电子、μ子和τ子，μ子是于1937年被安德森发现的，其质量为电子质量的207倍，它不稳定，在2毫秒内衰变为电子；τ子是于1975年被发现的，其质量约为电子质量的3500倍，差不多是核子质量的两倍，但更不稳定，其寿命只有千分之几毫秒。这种“重电子”和“超重电子”的真实存在，对物理学家来说还是一个谜。

    除了三种带电轻子外，还有三种不带电的轻子，称为中微子。每一种中微子对应着一种带电轻子，分别被称为电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。它们总是成对出现，每一对称为一代，而且每一代中的中微子质量都比相应的荷电轻子的质量小得多。

    从电性上来说，中微子都是中性的，因此，它们不参与电磁相互作用。一般假定它们的静质量为零，因此按照相对论，它们必定是以光速运动；不过，它们的质量问题是当前争论的一个焦点，人们认为，如果电子中微子确实是有质量的话，实际上也是微乎其微的。然而，可能存在的这么一点质量，在宇宙学上有重大意义：因为在宇宙中有如此多的中微子，它们是大爆炸遗留下来的，它们加在一起的质量可以产生的引力效应，大到足以使宇宙目前向外的膨胀减慢，甚至停止下来。

    由此可见，中微子和反中微子在我们的宇宙中扮演了一个极为重要的角色。不过遗憾得很，对它们的探测极其困难，因为它们是电中性的，还具有惊人的穿透物质的能力，在固体物质中通过极大的距离仍未被吸收掉。然而，利用巨型探测器以及极大的耐心，观测到少量的中微子和反中微子还是可能的。

    媒介粒子和四种力

    假如组成宇宙万物的基本粒子相互间没有任何关系，它们中的任何一个都是像被“隔离”的，那么，在这样一个宇宙中，既无恒星也无行星和生命，宇宙只是一个寂寞的、完全没有事件发生的集合。幸运的是，宇宙间物质和粒子都有不同的相互作用力，这才使我们的宇宙形成了有机联系，充满活力而生机勃勃。

    在日常生活中，虽然自然界看上去好像有多种作用力，但事实上所有这些作用力都可以简化到最基本的四种：引力、电磁力、强力和弱力。这四种力也就是物质间的四种相互作用，这些相互作用都是靠媒介粒子的传递来实现的，媒介粒子是传递物质间相互作用的粒子。

    引力是我们最熟悉的力，任何物体之间都有引力的相互作用，物体的质量越大，引力越大，而在粒子世界里，它几乎不起作用；引力还是一种长程力，其作用范围可以延伸到无穷远，当然随着距离的增加，其作用力也逐渐减弱。科学家预测传播两个物体之间引力的媒介粒子是无质量的引力子，但引力子直到今天还没有被直接观测到。

    电磁力是由粒子的电荷产生的。一个粒子可以带正电荷，也可以带负电荷，电荷同性相斥，异性相吸，如果一个粒子不带电荷，则不受电磁力影响。作用于固体原子和分子之间的电磁力使固体具有硬度，电磁力也具有磁性和发光的特性。携带电磁力的媒介粒子是光子，它也是产生光线的粒子。

    强力是原子核内的力，它把原子内的中子和带正电荷的质子结合在一起（质子因都带正电荷经常试图互相推开，如果没有强力，它们将相互飞开），强力的作用范围只能在原子核内，大约只有10－15米，在相同的距离内，强力要比电磁力强100倍。传递质子、中子之间强力的粒子就是介子，从这个意义上来说，介子也是媒介粒子；传递夸克之间强力的粒子叫做胶子。

    弱力作用于所有的夸克和粒子，强度是电磁力的千分之一。弱力与其它三种力不同的是，它的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应。比如放射性原子很不稳定，因为它的原子核容纳了太多的中子，因此必定会发生衰变，衰变发生时，一个中子变成一个质子，同时释放出电子。这就是弱力在起作用。弱力是由W+、W－和Z粒子传递的。

    玻色子和费米子

    基本粒子还可以根据自旋的不同分为玻色子和费米子两大类。自旋是粒子的一个最重要性质，但粒子的自旋与我们常见的旋转很不一样，它是一份一份跳跃着自旋的，只能取一个常数的倍数。自旋为半奇数倍的是玻色子，光子、引力子、胶子等媒介粒子都属于玻色子；自旋为整数倍的是费米子，夸克和轻子家族成员都属于费米子。简言之，费米子是组成物质的粒子，玻色子则是传播物质相互作用的粒子。

    这两类粒子特性的区别在极低温时表现得最为明显：玻色子全部聚集在同一量子态上，形成玻色—爱因斯坦凝聚；费米子则与之相反，它们更像是个人主义者，各自占据着不同的量子态。当物体冷却时，费米子依序占据最低能态，但它们是在不同能态上堆叠起来的，就像人群涌向一段狭窄的楼梯时那样，只能一层层往外排。大部分最低能态都被单个费米子占据时，这种状态称为简并费米气体。

    基本粒子虽然多得令人目不暇给，但我们周围的普通物质，也仅仅是由3个基本粒子构成的：即上夸克、下夸克和电子。其它绝大部分基本粒子只是我们宇宙中暂时的稀客，它们主要是在特殊条件下产生的，如在恒星爆炸中或在宇宙射线中产生的。现在利用精密的粒子加速器，也能人工产生这类粒子。所有这些粒子都是不稳定的，只有几万分之一秒甚至几亿分之一秒就衰变分解了。

    大自然中如此众多的粒子有没有统一的结构？这正是当代物理学研究的最前沿阵地。物理学家们猜测，所有的基本粒子都是由一根由纯能量构成的超弦组成的，超弦按照不同的形式振动，产生各不相同的粒子，如电子、光子、中微子、夸克等等。超弦也许是宇宙最深层次的基本结构，但超弦小得难以想像，如果把超弦和大头针的大小关系，与大头针和宇宙的大小关系作一个比较，则超弦还要相对的显得小。因此，现在的科学探测水平还不能证实这样的猜想，我们仍需未来的科学实验来证实。

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