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世界的终极由基本粒子构成

小说:三体社区作者:www.santiw.com 发布时间:2019-02-11 02:12
世界终极基本粒子构成
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1、宇宙万物由基本砖块——基本粒子构成,宛如一座积木城堡,相互作用驱动着它们不断运转。

2、世界的层次、尺度和面貌由相互作用的特性所决定。

3、强作用就像502,将夸克牢牢的束缚于小小的原子核中;电磁作用稍弱,就像普通胶水,黏合着原子,其特性造就了元素周期表;引力则制约着天体运行。

4、当能量无限升高,四种相互作用合而为一,我们就来到了时空万物的创生的时刻,我们看到了终极!

人类知识体系

世界的终极由基本粒子构成

 

 

本节知识体系

世界的终极由基本粒子构成

 

 

01.你看这夸克又小又圆

一花一世界,一沙一天堂。

宇宙创生的大爆炸并没有你想的那么神秘,甚至一滴水就足以折射出创世的景象!就让我随手舀一滴未名湖的水,当然,它也可以是你身边的随便一滴什么,让它告诉我们什么是终极。神创论什么的都滚粗吧。

不过,我们还是先从冰开始讲起——

 

世界的终极由基本粒子构成

 

众所周知,水由水分子构成,当温度低的时候,这些水分子整整齐齐的码放——这就是冰;温度稍高,码放不再整齐,但依然聚集在一起——这就是水;温度更高,分子们分道扬镳,便形成了水蒸气。

等等,什么是分子?“分子是保持物质性质的最小单元”,以水来举例:一杯水是水,半杯水也是水,再取出一半它还是水,“日取其半,万世不竭”。但是,随着水越来越少,仅剩最后一个水分子的时候,再把它一刀两断,就不再是水了。

此时一位好事的读者凑了上来:“有一个人,取其一半,……,这就是人分子!”不好意思,人是由各种不同的分子构成的,没有人分子这回事,况且人被一刀两断后也就不能被称为人了。

你看那冰,水分子码放得多么整齐,这是怎么做到的?当然是全自动的。分子间的电磁作用将水彼此黏在一起、码放整齐,而当温度升高时,分子跳动变得剧烈,电磁作用再也拉不住它们,冰变成了水——码放不再整齐,进而变成蒸气——不再码放一起。

好,现在我们已经把这滴冰加热成单个的水分子——蒸气,再继续加热它会怎样呢?

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假如由于某种大灾难,所有的科学知识都丢失了,只有一句话可以传给下一代……我相信这句话是原子的假设:所有的物体都是由原子构成的——这些原子是一些小小的粒子,它们一直不停的运动着,当彼此略微离开时相互吸引,当彼此过于挤紧时又互相排斥。 ——理查德·费曼

分子,是由一个个跳动的原子构成的。水分子,则由一个氧原子和两个氢原子构成。可是,这些原子为啥要跳动呢?这即是温度的本质:一切绝对零度以上的物体都在不断跳动,其中,跳动剧烈的温度高,跳动和缓的温度低。用手去摸滚水的时候,剧烈跳动的水分子撞击皮肤中的分子,使得皮肤中分子也剧烈跳动起来(所谓的热传导),无法保持原有的形态,烫伤便发生了。

继续加热这颗水分子,电磁作用便再也拉不住疯狂跳动的原子,它们便只好互相Say byebye了。现在这滴水已经变成了一个个原子。

 

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原子内部是如此空旷——带正电原子核盘踞在原子中央,犹如蚂蚁趴在10层高楼内部,带负电的电子受到其吸引,在大楼中游走,电磁作用制约着它们。随着原子由小到大,外层电子数呈现出周期性的规律,进而元素的化学性质也呈现周期性的规律,门捷列夫最早观察到了这样的属性,总结出元素周期表

 

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继续加热这滴水,分离出电子,是时候去折腾坚硬的原子核了。

 

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剖开原子核这只“蚂蚁”,里面别有一番天地:不带电的中子、带正电的质子,拥挤在狭小的空间中,强相互作用将它们紧缚在一起,其强度远胜质子间同种电荷的电磁斥力。

 

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质子、中子则各自由三个夸克构成。强作用之强,致使夸克被禁闭于质子、中子之中,仿佛幽囚中的人,难见天日。加热复加热,分解再分解,至此,微观粒子已是无可再分,事情就到此为止了吗?不,我们并不打算善罢甘休,继续加热折腾这些基本粒子。

因为通往终极的道路,才走了十分之一……

02.德谟克利特如是说……

世界这座积木城堡,由这些永恒的砖块搭建而成。

两千多年前,古希腊哲学家德谟克利特第一个认识到构成世界的基本砖块不只一种,他将这些砖块称作原子,本意为不可再分。两百年前,道尔顿借用德谟克利特的原子来命名化学元素。遗憾的是,后来发现,道尔顿的原子是可以再分的。

 

世界的终极由基本粒子构成

 

 

我们史诗般壮阔的世界,正由上图中微小的基本粒子构成。紫色的是夸克家族的六味成员——u、d、s、c、t、b,由u到b质量递增。绿色的轻子——上面一排是三味中微子,下面的是电子、μ子、τ子。但日常,我们只能见到ud夸克和电子,所以我们这次着重介绍它们。

基本粒子们有大有小,巨无霸的质量能达到同类小兄弟的数十万倍——但它们的寿命极短,很快便衰变成更轻的粒子,以至于我们日常只能见到最轻的ud夸克和电子——质量大并不厉害,笑到最后才是赢家。

质子(uud)和中子(udd)加上电子形成几百种原子,构成一整张元素周期表。一代代化学家们皓首穷经,钻研数百种性质各异的元素,以及它们所形成的亿万种分子,和它们所构成的大千世界种类繁多的各种物质。以上种种,其实都是ud夸克和电子不同的排列组合,而电磁作用驱使和决定着一切——这就是物理学所追寻的简洁,大千世界蕴含于元素周期表,而元素周期表不过是三种基本粒子的属性推演罢了。

每种基本粒子都具有质量、电荷、色荷、弱荷四种属性,其数值大小分别标志着它们参与引力、电磁、强和弱相互作用的程度。上帝投下骰子,掷出这些数值——构成了宇宙这款游戏的初始参数。随后粒子们带着这些基本数值,在相互作用驱动下运转不休,整部宇宙的大戏由此启动。

03.世界的驱动者、塑造者

是时候聊聊四大相互作用了。

先一起动个脑:试想你和我站在光滑的冰面上,在互不接触的情况下,如何推开对方?

答案是将一个皮球互相抛来抛去,便能互相推动对方远离。若皮球比较轻,便能够抛得很远;如果很重,就只能在近处抛抛。

正如上面的场景,物理学家不相信隔空打牛,所以物质之间的相互作用需要玻色子的传递。

无质量的光子,将电磁作用传递到无穷远处。

有质量的胶子、Z和W玻色子,注定了强和弱作用力程短浅,只能局限于原子核中。

引力子,目前尚未观测到,如果存在,一定也是无质量的,但单个能量很小,造就了引力无穷远但很弱的特性。

 

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引力,最弱的一种相互作用,因万有而变得强大,塑造着庞大的天体体系。

弱相互作用,力程局限于原子核尺度,且强度较弱,日常生活难以察觉。能使夸克和轻子改变种类,在放射性现象中扮演重要的角色。

电磁相互作用,将电子束缚于原子当中,缔造了元素周期表和各种丰富的化学现象。我们日常的一切,几乎都是电磁作用所致,地板支撑着我们,以及你现在读到的这篇文章:信息从互联网设备到眼睛再到大脑,这一整套动作完完全全由电磁作用所驱动!

强相互作用,相互作用中的战斗机。其巨大的强度,将夸克束缚于微小的质子中子当中,又将质子中子牢牢束缚在一起。核裂变、核聚变释放出的巨大能量,正是源自强作用的强度。

世界的形态被相互作用所塑造:引力很弱,所以天体很大;电磁较强,所以原子很小;强作用极强,夸克被牢牢束缚在极小的原子核中。试想引力强上十倍,太阳系一定会比现在更小,高空坠物也砸得更疼。核聚变,正是一个原子核砸到另一个原子核上的过程,小小的原子核竟然蕴含着巨大的力量,原来都是被强作用的强度所决定的!

04.“我们看到了终极!”

横看成岭侧成峰,峰、岭其实是同一个东西。

几百年前,电和磁被认为是截然不同的事物。后来随着奥斯特发现电流的磁效应,法拉第发现电磁感应,电磁铁、电动机应运而生,电磁合一——磁现象,不过是电现象的相对论效应。

四种相互作用会不会本质是同一种作用的不同表现?答案是肯定的:随着能量的进一步升高,四种相互作用会合并为同一种。

 

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如今,人类已经有了完备的弱电统一理论。剩下的引力和强作用的统一,因为实验室能量无法达到,留待未来的检验。

继续加热这滴水,随着能量的逐步升高,平日难得一见的大质量夸克、μ子、τ子,都被激发出来,相互作用逐渐混同,直至四种相互作用混而为一,如此,我们便回到了大爆炸之初。

极端暴虐的能量之中,时空和物质交织在一起,创世的混沌之中,不再有“四面八方,古往今来”,甚至连时间和空间都尚未创生。但这并不是虚无,混沌之中暴虐的能量正塑造着一切,甚至时空在此时也是“躁动于母腹中的婴儿”,终极之中将诞生出今天的所有!

是的,只要有足够的能量,一滴水也能创造整个世界,毕竟,我们和这滴水一样,都是能量凝聚而成的实体。

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