物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

 2022-09-29 08:22:40    41  

前几天,后台有个小哥问我:粒子,分子,原子,量子,玻色子,费米子,质子、中子、电子简单解释一下。所以,今天我们就聊一聊各种“xx子”到底是什么意思?

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

统称

其实,最好理解的是:粒子。它不特指某一类,而是一个统称,也就是无论是玻色子、费米子、原子、中子、质子、电子都统称为粒子。话说,我们上初高中都要背元素周期表,那上面就是元素的图谱。实际上,不光元素有,粒子也有,科学家在上世纪为各种“xx子”构建了一张粒子周期表,我们称其为粒子物理标准模型

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

发现了吧?这里就用到粒子“统称”的概念。因此,关于粒子,你只需要记住它是一个“统称”即可。

量子

量子是这些物理概念中最难理解的,我认为它代表着一种世界观。我们要先从经典物理学说起,牛顿世界观下的物理学认为,

物理变化是连续的。

这该如何理解呢?就拿自由落体来说,从5米掉下去一个物体,一般我们认为,整个过程是连续的,但是普朗克就提出,这种变化不是连续的,而是变化本身也有最小的变化单位。比如:最小单位是0.5米,那物体下落过程中,就应该是从5米到4.5米,然后4米……这里为了方便做了粗暴的处理,实际上这个最小的变化单位是极其小的。

咱们就说时间变化的最小单位,也就是普朗克时间,这个时间间隔只有:10^-43秒。而最小可测的距离,被称为普朗克长度是1.6x10^(-35)米

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普朗克在研究黑体辐射时,如果假设能量的变化是连续的,那理论就和现实是不相符的,只有假设辐射能量变化是不连续的,存在能量的最小单位:量子,能量的变化只能去量子的整数倍。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

所以,我们可以认为,最早“量子”对于能量变化的概念,就类似于“原子”对于物质的概念

这种全新的世界观彻底改变了物理学的发展方向,20世纪初的物理学大神们都投入到相关研究当中,最终构建的物理学大厦。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

分子

其实分子和原子的关系就很简单了,分子是构成物质的粒子,一般是由两个或者更多的原子一起构成的,而连接原子之间的是化学键,,所以,我们可以认为分子是保持化学性质的基本单位。当然同样是化学键,也有不同,不过由于我们主要讲“粒子”,所以就不过多赘述了。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

寻找基本粒子

事实上,最早无论是粒子还是原子,都是学者们在寻找构成物质的最小单位。只不过,随着科学的一步步深入,学者们发现自己太单纯了,世界比自己想象中的还要疯狂。先是有人发现了比原子还要小的电子,进而科学家卢瑟福直接轰击原子,探明了其中存在一个远比原子要小得多的原子核。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

其实这也掀起来原子模型之争,经历了多代物理学家,出现了多种原子模型,最后海森堡一锤定音。如今的原子模型是这样的,有个原子核,特别特别小,如果原子有足球场那么大,那原子核应该只有蚂蚁的大小,不过原子的质量都在原子核的上面,电子在原子核外呈现概率云的排布。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

通过撬开原子,科学家们搞清楚了原子模型。于是,他们开始要撬开原子核,通类似的办法,他们发现了质子和中子。于是,他们就在想,质子和中子到底可不可再分?

于是,又用类似的办法,他们打算轰开质子,看看质子里面还有什么?

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

结果,他们没能轰开,并不是说质子就是最小的粒子,因为他们发现,轰击质子时,会出现三个散射角度,这说明质子内部还存在三个粒子,它们构成了质子,科学家给这种粒子取名为:夸克。所以原子到原子核再到质子、中子,最后到夸克其实是不断做切分的过程,而切到夸克,科学家就切不动了。所以,基本粒子当中就有夸克。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

除了夸克之外,电子、μ子、τ子以及电子中微子、μ子中微子、τ子中微子都是没有办法继续再分的基本粒子,也被称为轻子。因此,这些基本粒子被我们称为费米子

所以,费米子是构成物质的基本粒子的统称。

传递相互作用

但是只有费米子是构不成物质的,必须有东西把费米子装配起来才能构成物质。说白了,我们还需要费米子之间能够相互作用,而传递这个相互作用的粒子的统称就叫做:玻色子

在自然界存在四大作用力,分别是引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用

目前,还没有找到传递引力的玻色子,(补充一句,引力子理论误差巨大,并且没有找到引力子,这并不是主流理论。)至于强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用都有相应的玻色子来传递作用,具体来说是这样的:

强相互作用:胶子和介子弱相互作用:W玻色子和Z玻色子电磁相互作用:光子

(PS:由于介子并不属于基本粒子,所以并没有被纳入到粒子物理标准模型当中。)

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

关于这些粒子的质量,是由希格斯玻色子赋予的,这也被称为希格斯机制,希格斯玻色子也就是粒子物理标准模型最后一块拼图,有了它就有之前我们说到的粒子物理标准模型了。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

而以上这些粒子,并不是随便编出来的。科学家在上个世纪以及本世纪初,通过大型粒子对撞机都找到了它存在的证据。

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最后,我们来总结一下,费米子是构成物质的基本粒子,而传递作用的是玻色子。下图中就是费米子和玻色子之间的关系图,矩形框内的就是费米子,而椭圆内的就是玻色子。

物理夸克是什么意思(物理学夸克的解释)

关于各种粒子的内容大概就是这么多,这期信息量很大,我们再来简单的总结一下,

粒子是所有微观粒子的总称,不特指某种粒子粒子还能分为费米子和玻色子,前者是构成物质的最小单位,后者是传输相互作用的。费米子中分为夸克和轻子。玻色子中分为规范玻色子和标量玻色子,规范玻色子有传递强相互作用的胶子,传递弱相互作用的W玻色子和Z玻色子,传递电磁力的光子;标量玻色子目前只有希格斯玻色子,是用来赋予粒子质量的。量子指的是能量的最小单位,能量变化只能取量子的整数倍。因此,能量的变化并不是连续的,量子颠覆了经典物理学中“变化是连续的”观念。
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