宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第3节

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


中移动原子间的电磁引力。炸药爆炸的能量来源于化学能，化学能也是电磁力产生的。当膨胀气体撞击容器壁或者炸弹外壳时，施加在撞击分子上的排斥力也是电磁力，这种斥力是由于电子间距离的扭曲而产生的。所有生物过程都能用分子转化来描述，这种转化是受电磁力支配的。　

　　强核力　

　　我们认识万有引力和电磁力已有很长时间了，但是，一直到20世纪过了好长时间，原子核中存在的第三种力才被弄清楚。原子核包括质子和中子，其中最重要的是质子带正电，中子不带电，不过它们吸得非常牢，好像被胶粘住了一样。如果它们不能粘在一起，那么就没有我们现在的世界了。这个力非常大，连带有同性电而相斥的质子间的静电斥力也不会使整个核散开，而万有引力太弱了，不能把核约束在一起。因此，在核粒子之间一定有比电磁力更强的力存在。经过研究，对这种强核力已可做出很好的定性描述，这种力最重要的特性是：它是短程力。如果核粒子互相接触到非常近的距离内，此力是很强的。在这个范围之外，此力很快降为零。关于这点，力的作用有些像把原子核结合在一起的胶水，而道理却完全不同。这种核力的强度由质子和中子的方位而定。　

　　弱相互作用　

　　虽然大物理学家费米计算出了第四种形式的力…弱相互作用的一些规则，但是直到现在，弱相互作用的重要意义和机制还没有被人们很好地了解。弱相互作用可用来解释放射电子射线的天然放射性元素的衰变，许多新粒子也因弱相互作用而衰变。我们对它知道得太少，以至于不能说它的作用范围究竟有多大。　

第10节：三、物质形成（4）


　　万有引力、电磁力、强核力和弱相互作用力…目前就人类所知，物质的基本结构单元还没有以另外的方式作用的。我们把核束缚力叫作强力，把其他力称为弱力。这四种力是宇宙间全部存在的力，是物质间互相作用的简单规则。在这些规则的作用下，我们才能行走、运动、看电视、仰望星空、看太阳升起又落下……我们不知道它们是从哪里来的，但是我们永远在它们的统治之下。　

　　我们比较一下四种力相互作用的强度。当两个质子互相接触时，强核力（使两个质子靠近的力）可以是电磁排斥力（使两个质子远离的力）的100倍。弱相互作用与强核力比较，后者是前者的1013倍。所有这些作用力中最弱的是万有引力，它只有强核力的1/1039那么小！而万有引力在我们看起来那么重要的原因是它相对来说是长程力。例如，我们的重量表示地球中的1051个核粒子与我们自己身体内的1019个核粒子间的引力。在个别的核反应或原子反应中，可以完全忽略掉万有引力的影响；而对大尺度的物体，例如星星、银河等之间的相互作用主要是万有引力作用。　

　　2．0。01秒　

　　在宇宙形成0。01秒之后，宇宙的温度约为1000亿摄氏度，这个温度看起来很恐怖，但是已经在我们可以测量或者说可以预测的范围之内了。刚才那个最原始的小球，我们根本不能预测它的温度。在0。01秒之后，我们现在认识的一些粒子开始出现了。而刚才那个小球，构成它的物质根本没有人知道。　

　　0。01秒之后的宇宙物质的主要成分为轻粒子。轻粒子顾名思义就是质量很小的粒子，例如光子、电子和中微子。而能构成实际物质的质子和中子的比例只占不到十亿分之一。由于整个体系在快速膨胀，因此温度便很快下降。　

　　我们同样无法知道为什么构成我们身体和这个世界的这些粒子一定是现在这个样子，它们从宇宙创生初期到现在一直是这个样子，从来没有改变过。我们知道孩子总是像父母，而这些没有父母的粒子的样子是谁确定的呢？所以，就像描述力的规则一样，我们也只能描述一下物质规则，而不能探究它的根源。　

　　规则之二：基本粒子　构成世界的基本粒子大概有二百多种，所有的物质都是由这二百多种基本粒子组合构成的。这些粒子相互作用，构成了生机勃勃的宇宙。例如我们看到一只狗在奔跑，从微观粒子的角度看，就是数不清的粒子在运动，这些粒子构成狗的细胞，狗的细胞又构成它的肌肉和神经。这些粒子通过三种力（万有引力在粒子相互作用这个级别可以忽略不记，它适用于比较大的尺度）互相纠缠和影响，才产生我们看得见的运动。　


第11节：三、物质形成（5）


　　根据粒子间的三种相互作用，可将这二百多种基本粒子分成三大类：　第一类是具有强作用的粒子，称为强子。已发现的基本粒子中，约95％是强子，这是基本粒子中最庞大的家族。质子和中子是大家熟知的强子，除了质子和中子外，还有π介子、K介子、超子以及叫作共振子的基本粒子也是强子。强子除具有强相互作用外，一般也有电磁作用和弱相互作用。　

　　基本粒子的第二大类是没有强相互作用的，称为轻子。比较有名的轻子有电子和中微子，另外还有τ介子和μ介子等基本粒子也属于轻子。轻子的特点就是没有强相互作用，而都有弱相互作用。另外有些轻子，例如电子，因为带电所以还有电磁作用。中微子比较难以探测到，就因为它不带电，又是轻子，所以只有通过探测弱相互作用才能探测到它。　

　　基本粒子的第三大类就是既没有强相互作用，也没有弱相互作用，而只有电磁作用的粒子。这类粒子只有一种，就是光子。所以，凡是有光子参与的过程必然涉及电磁作用。　

　　我们不妨列举一下创世之初的几个有名的轻子：　电子　电子像台球一样有静止质量，但它的质量很小，小得无法想象。然而，从许多方面看，电子并不完全像台球。首先，电子有自旋，这一性质往往被看作是电子静止时的角动量，好像它是个陀螺在绕轴自转一样。其次，电子在许多场合还呈现波的行为。如果一束电子被聚焦在一个适当的衍射光栅上（按原子的大小刻的一道一道的纹路，让电子束穿过或者反射），这束电子将像衍射光（光通过光栅时会出现有规律的花纹）那样形成图样。　

　　μ介子　μ介子是1937年在宇宙射线中发现的。宇宙射线是宇宙空间飞到地球上的高能粒子流。带电粒子通过物质时，它的能量损失有两个途径：一是把能量交给物质原子中的电子，使得原子电离或激发；二是在原子核电场中偏转并辐射出光子，把能量交给光子。后一种过程的能量损失率（指带电粒子在物质中走过1厘米时所损失的能量）反比于带电粒子的质量的平方。如果质量大100倍，能量损失就要减少10000倍。1937年，天文学家发现一种带电粒子，当初认为它是电子，但是在能量很高时，这种粒子的能量损失率却远远低于电子的理论预期值。因此，它不可能是电子，而应当是一种质量比电子大200多倍的新粒子，称之为μ介子。μ介子被发现后，人们对它的性质进行了很多研究，实验证明这种粒子和电子非常相像，几乎完全一样，唯一的差别只是二者质量相差很大，差了200多倍。　

　　电子和μ介子性质十分相似，但是，它们确实是两种不同类型的粒子，而且两者不可能通过简单的途径互相转变。令人难以理解的是，既然μ介子与电子十分相像，为什么质量相差这么大？自然界为什么要有μ介子？它在物质世界中究竟起什么作用？一句话：〃既生e（电子），何生μ？〃这就是著名的〃μ介子之谜〃。这是粒子物理中的头号重大难题，μ介子的发现者培尔甚至说，也许要待爱因斯坦再世才能解决这个问题。　

第12节：三、物质形成（6）


　　中微子　中微子是唯一的只有弱作用而没有电磁作用和强作用的基本粒子。它是很难被发现的。中微子从理论预言到实验发现，经历了二十几年的漫长岁月，这在粒子物理学的历史上是罕见的。　

　　早在20世纪20年代，人们发现原子核在衰变时，有一部分能量竟然〃丢失〃了。这和能量守恒定律根本不相容，造成了理论上的危机。为了解释这一现象，20世纪30年代初，奥地利物理学家泡利提出了中微子假设。他假定原子核的衰变产物中有一种质量极小的、中性的、穿透力极强的粒子，是它偷偷地带走了那部分失踪的能量。后按照意大利物理学家费米的建议，正式把这个粒子叫作中微子。有了中微子以后，衰变的机制就清楚了，成功的费米衰变理论，就是在中微子假设的基础上提出来的。　

　　中微子提出后，二十多年内一直还只是一个理论假设，并没有在实验中发现它的足迹。这是为什么呢？因为中微子只参与弱相互作用，比通常的电磁作用要弱20个数量级。我们大概作一个比较，一个电子在物质中只能走约1微米远，一个光子在物质中可以走大概10厘米远，而一个中微子却可以走约1015米远。也就是说，一个光子在水中平均走10厘米左右就会与水中的一个原子发生一次作用，而一个中微子却要穿过整整1011个地球才会与其内的一个原子核发生一次作用。如果想用探测器来测中微子，至少中微子得在探测器内发生一次作用以便留下可供探测的信号。也就是说，即使我们用像地球那样大的探测器，1011个中微子射到探测器上也只能探测到一个中微子。可见，探测中微子是一件十分艰巨的工作，必须有巨大的探测器和极强的中微子束。　

　　3．0。1秒　

　　在宇宙诞生0。1秒时，宇宙温度已经急速下降到300亿摄氏度。在此前构成世界的基本单位中子与质子的数量是一样的，但是随后中子数飞快减少，两者之间的比例从1∶1下降到0。61∶1。我们不知道为什么最初中子和质子数量一样，但是还好，我们还能知道为什么质子要比中子稳定。科学顽强地试图看透规则背后的东西。　

　　绝大多数的基本粒子都是不稳定的，经过一定的生命期就会衰变为其他的粒子，粒子的产生和湮灭是基本粒子的基本性质。当然，确实也还存在着若干稳定的粒子，例如质子、电子、中微子和光子，这是需要我们进一步去说明的事实。根据相对论的结论，质量和能量存在着一定的比例，再根据能量和动量守恒，就可以知道粒子只能衰变为比它本身的静质量更轻的粒子。因此静质量为零的中微子和光子的稳定性非常高，就可以用能量和动量守恒得到说明。电子是带电粒子中最轻的粒子，比它轻的粒子都是不带电的，因此在能量动量守恒和电量守恒的双重约束下，电子也应该是稳定的。可是为什么质子也能是稳定的呢？例如它完全可以衰变为正电子和光子，而且这一过程并不违反能量、动量以及电荷等守恒定律，应该是允许的。可是事实上质子却是非常稳定的，它的生命期非常长。其实质子的稳定性是我们整个宇宙构成的基础，因为如果质子是不稳定的，原子结构也就不稳定，以致分子结构不稳定，整个目前所呈现的宇宙结构也就都不稳定了。　


第13节：三、物质形成（7）


　　因此，质子的稳定性是一个极为重要的事实。为了说明质子的稳定性，人们引进了类似电荷的新量子数，称它为〃重子数〃，并且规定质子的重子数为1，它们的反粒子（称为反质子）的重子数为…1，而其余的更轻的粒子的重子数均为0。质子是带有重子数的最轻的粒子，并且类似电荷守恒，在任何物理过程中体系的总重子数（所有粒子的重子数的代数和）是要守恒的。这样在能量动量、电荷和重子数守恒的三重约束下，质子的稳定性才得到形式上的说明。重子数的概念可以推广到更多的粒子，而且重子数守恒定律也被证明是普遍成立的。应该指出以上对粒子稳定性的说明只是以现象本身来进行的现象说明，还没有找到问题的本质，粒子的稳定性还需要我们寻找更深刻的本质上的原因。正像原子稳定性的研究对原子物理的促进一样，粒子稳定性的研究也将带来基本粒子研究的重大发展。　

　　4．1秒　

　　在宇宙诞生1秒的时候，宇宙温度已经下降到100亿摄氏度了。随着这个火球密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸。电子…正电子对开始发生淹没效应，中子和质子之比进一步下降到0。3∶1，但这时温度还是太高，强核力仍然不足以把质子和中子束缚在一起。　

　　尽管如此，强子特别是质子和中子是构成世界物质的基本单位。强子的出现，意味着构成宇宙特别是我们能够看到的宇宙星辰的物质具备了出现的前提。有了强子，特别是中子