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宇宙本原
——原子与亚原子世界
整理李志镔
引言:欧洲核子研究中心大型强子对撞机项目相关负责人2009年9月8日对外宣布,当地时间10日上午9时30分,该中心正式启动世界最大的强子对撞机,开始对注入的第一批质子进行加速测试。约一个月后,相对运动的质子束将进行碰撞。环球时报称这一实验:开启了物理学新黄金时代。一个实验何以有如此大的力量?
这个实验其实是寻找物理学的发展中的终极理论——大统一理论中的一步。即要找到支配我们宇宙运行的根本理论,就必须先知道我们宇宙的基本组成是什么,从古希腊到近几十年,人们一直在讨论宇宙的基本粒子,物质的基本结构,要想回答这些问题必须先能清楚几个基本问题,物质能无限分割下去吗?什么是物质的本原?
关于基本粒子的寻找虽然还远没有结束,但时至今日科学家们已经有了很多的发现,相信这些问题会在不久的将来得到解决。
现在就让我们拂去时间撒在历史上的浮尘,让历史重现,进行一次微观粒子世界之游,相信在这里你会有很多惊人的发现。
粒子简介
根据自旋倍数的不同,科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子,有半整数自旋(如1/2,3/2,5/2等);而玻色子是像光子一样的粒子,有整数自旋(如0,1,2等)。
这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态:它们没有相同的特性,也不能在同一时间处于同一地点;而玻色子却能够具有相同的特性。
基本粒子中所有的物质粒子都是费米子,是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子);而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。费米子:自旋为半整数的粒子。比如电子、质子、中子等以及其反粒子。它们符合泡利不相容原理,以及费米-狄拉克统计。
根据标准理论,费米子均是由一批基本费米子组成的,而基本费米子则不可能分解为更细小的粒。基本费米子分为 2 类:夸克和轻子。而这 2 类基本费米子,又分为合共 24 种味道:12 种夸克:包括上夸克(u)、下夸克(d)、奇夸克(s)、魅夸克(c)、底夸克(b)、顶夸克(t),及它们对应的 6 种反粒子。 12 种轻子:包括电子(e)、渺子(μ)、陶子(τ)、、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ,及对应的 6 种反粒子,包括 3 种反中微子。
中子、质子:都是由三种夸克组成,自旋为1/2。
奇数个核子组成的原子核。(因为中子、质子都是费米子,故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。)
人类生存的世界,是一个物质的世界。过去,人们只知道物质有三态,即气态、液态和固态。20世纪中期,科学家确认物质有第四态,即等离子体态(plasma)。1995年,美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组,首次创造出物质的第五态,即“玻色—爱因斯坦凝聚态。
2004年1月29日,又是这个联合研究小组宣布,他们创造出物质的第六种形态
———费米子凝聚态。消息传出,国际物理学界为之振奋。专家们认为,这一成果为人类认识物质世界打开了又一扇大门,具有重大的理论和实践意义,将成为年度重大科技成果之一。
研究小组负责人德博拉·金表示,这项成果有助于下一代超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研