世界是由什么構成的？

星光閃亮圖書館 2017-06-25

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昨天我們聊了什么是最基本的問題，并簡單的引進了標準模型，如果你還沒看，趕緊猛戳《什么是“基本”？》。今天我們就仔細來說說我們的世界究竟是由哪些粒子構成的。

夸克和輕子

我們現在知道，世間萬物從星系、到山峰、再到分子都是由夸克和輕子構成的。但是，這并不是故事的全部?？淇撕洼p子以完全不同的方式運作，而且對于每一種粒子都有它們相應的反粒子。

物質和反物質

反物質的樣子和行為看起來都和它們對應的物質相同，除了它們擁有相反的電荷。比如，一個質子帶有正電荷，但是反質子就帶有負電荷。引力以相同的方式影響著物質和反物質因為引力并不帶電荷性質，物質和反物質也擁有相同的質量。

當物質和反物質相遇時，它們會湮滅變成能量，比如上圖中電子和正電子相遇湮滅成伽瑪射線。

友情提示：如果哪天你遇到一個反你，千萬不要碰他/她哦?。?！

什么是反物質？

等等！反物質？湮滅成能量？都是些什么，星際迷航么？

反物質的概念聽起來相當奇怪，因為我們看到的宇宙萬物都是由物質組成的。反物質好像是萬物的破壞者，只要跟被它們接觸就會發(fā)生湮滅。那么，到底什么是反物質，難道只是理論的產物？當然不是！科學家通過氣泡室就能拍攝到反物質的留下的痕跡。（在1953年 - 1970年間，氣泡室是一個重要的粒子探測器。）

氣泡室的磁場會使帶負電的粒子向左旋，帶正電的粒子向右旋。如果你仔細看上圖，你會發(fā)現有很多的電子和正電子對看似不知道從哪里就蹦出來，但其實他們是從光子的產物，光子并不會在云室留下痕跡。正電子（電子的反粒子）的行為模式與電子完全一樣，除了往不同方向旋轉。

如果反物質和物質完全一樣但是擁有相反的電荷，那么為什么宇宙中的物質遠遠多過反物質？那是因為........

好吧，其實我們并不知道答案。物理學家還在努力的尋找答案?；蛟S是跟電荷宇稱不守恒（CP不守恒）有關，之后我會專門再寫一篇關于CP不守恒如何解釋為何物質多于反物質。在這之前，我建議有興趣的同學先看看《關于反物質你可能想要知道的10件事》。

夸克（Quark）

在日常生活中，我們看見的所有東西都是由質子和中子構成的，而它們又是由更小的夸克組成的。

夸克總共有6種，但物理學家談起6種夸克時都會把他們分成3對：上(U)/下(D)，粲(C)/奇(S)，頂(T)/底(B)（這六種夸克都有它們各自對應的反夸克）。

質子和電子分別擁有整數的電荷，分別是+1和-1。而夸克有著非常不同的電荷，它們是分數的?？淇诉€帶有另外一種不同的荷性質，稱為色荷。我們之后會再提到。

夸克中最難捉摸的是頂夸克，在理論預言的20年后終于在1995年被發(fā)現。

強子、重子和介子

就像愛抱團的大象們，夸克也是群居的“物種”，它們從不單獨出現。由夸克構成的粒子統(tǒng)稱為強子（Hadron）。

盡管單個夸克擁有分數的電荷，但是他們構成的強子總有凈整數的電荷。另外，雖然夸克帶有色荷，但是強子的凈色荷為0.

強子又分為兩種：重子（Baryon）和介子（Meson）。重子是由三個夸克組成的，質子和中子都屬于重子。質子是由兩個上夸克和一個下夸克組成的；而中子是由一個上夸克和兩個下夸克組成的。介子則包含了一個夸克和一個反夸克。由于介子包含了正反夸克，因此它十分不穩(wěn)定。但是，有一種叫K介子的家伙活得比其它介子都長，后來發(fā)現了K介子是由奇夸克組成的，之所以叫“奇”夸克，是因為它奇怪的“長壽命”。

關于強子一個奇怪的性質是，組成它們的夸克只占了強子本身非常非常小的一部分質量。

好吧，再多說一句，這兩年，在加速器里科學家還找到了四夸克和五夸克！有興趣的同學可以戳《向麥克老人五呼夸克！》。

輕子（Lepton）

現在來說說另一種基本粒子——輕子。

剛才我們說過夸克有六種，其實輕子也有六種，自然界就是這么巧奪天工。輕子的其中三種帶有電荷而另外三種并沒有。它們看起來像個點，并沒有內部結構。最廣為人知的輕子是電子(e)，另外兩種帶電的輕子分別是μ子和τ粒子，跟電子有一樣的性質，除了擁有更大的質量。不帶電的輕子也就是今年諾貝爾物理學獎的主角——中微子(ν)，與其它三種輕子相應，分別有電中微子、μ中微子，和τ中微子。一開始，物理學家認為中微子沒有質量，但是后來發(fā)現它們有非常小的質量。中微子神秘莫測，非常難探測到。