《时间简史》chapt5 基本粒子和自然的力第一部分
“如果你遇到了反自身,注意不要你们握手。否则,你们两人都会在巨大的闪光中消失殆尽。”
这一章Dear Hawking会告诉我们构成宇宙的物质和力是什么?构成宇宙的最小构件是什么?物质的粒子是什么构成的?
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亚里士多德认为宇宙是由物质和力构成,物质是由四种基本元素土、气、或和水组成,而有两种力,引力和浮力作用于这些元素上。
对于物质是可以无限切割下去的颗粒,还是具有固有的颗粒,争议持续了很长时间。
1803年约翰提出化合物是由原子聚合成的分子,直至20世纪初,爱因斯坦相对论提出,布朗运动为液体分子和灰尘粒子碰撞的效应。此次争论以原子论胜利而结束。
通过汤姆孙的类似显像管的装置实验证明,电子是从原子本身释放出来的,1911年恩斯特证明原子确实具有内部结构,又带正电的核和电子组成。卢瑟福发现,1932年再次证明原子除了带正电的质子、电子外,还有和质子一样大的不带电的中子。
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在质子和电子高速碰撞的实验表明,他们是由更小的粒子夸克构成,夸克有六种味:上、下、奇、粲、底和顶。每种味带有三种色:红、绿、蓝。(只是一种标签而已,通常意义下没有颜色的。)
一个质子或中子由3个夸克组成,每个夸克一种颜色。质子包含两个上夸克和一个下夸克,中子包含两个下夸克和一个上夸克。按照夸克的种类来构成粒子,最后都会衰变为质子和中子。
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那么什么是构成世界万物的最小构件呢?
量子力学告诉我们,离子能量越大,对应波长越短,粒子能量用电子伏特来测量,电子得到的能量是一个电子伏特。如果利用更高的能量,是否会发现更小的粒子呢?
波粒二象性说明宇宙中的一切都可以用粒子来描述,粒子具有自旋的性质。自旋主要告诉我们,从不同角度看粒子是什么样子的。
其中自旋为0的就像一个点,从任何方向都一样;自旋为1的像一个箭头,每个方向都不一样,转过一整圈,粒子才显得一样;自旋为2的像个双箭头,转半圈,看起来便一样。
但是有一些粒子,转过一圈后,仍然不同,必须转两圈,这些粒子就具有1/2的自旋。
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粒子分为两种,自旋为1/2的粒子,组成物质;自旋为0、1、2的粒子,在粒子之间产生物质力。物质粒子服从泡利不相容原理,该原理是说,两个类似的粒子不能存在于相同的态中,也就是说,在不确定原理给出的限制下,它们不能同时具有相同的位置和速度。
不相容原理解释了为何物质粒子在自旋0,1,2的粒子力的影响下,物质粒子不会坍缩的原因。如果世界在没有不相容原理的情况下,夸克就不会形成质子和中子,进而不会形成原子,世界会变成“汤”。
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狄拉克理论第一次将量子力学和狭义相对论结合的理论。
它充分解释了电子为何具有1/2自旋,为什么将其要转两圈才能一样。它也预言了电子必须要有它的配偶-反电子或正电子,1932年正电子的发现验证了狄拉克的理论。
我们现在知道任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。
所以,“如果你遇到了反自身,注意不要你们握手。否则,你们两人都会在巨大的闪光中消失殆尽”。