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茶杯、冰塊、圓珠筆、綠植、沙發(fā)......這些我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ臇|西都是由什么組成的？

顯然，它們有著不同的材質(zhì)、顏色和形狀，這是否意味著它們是由不同的東西組成的？如果我們能夠?qū)⑺鼈円恢狈指钕氯ィ欠駮?huì)發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)都是由一個(gè)最小的單元組成的？

一開始，原子被認(rèn)為是構(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)單元，原子的英文“atom”一詞有“不可分割”之意。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了100多種不同類型的原子，將它們排列在那張懸掛于世界各地化學(xué)教室墻上的元素周期表中（今年是門捷列夫提出元素周期表的150周年）。

○ 元素周期表中的元素并不是在宇宙誕生后就全部出現(xiàn)的，而是在漫長(zhǎng)的宇宙演化歷史中，逐漸在不同的物理過程中形成的。| 圖片來(lái)源：Jennifer Johnson

但原子并非故事的結(jié)局，它并不是不可分割的存在。如果將原子進(jìn)一步分割就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的。質(zhì)子和中子組成了原子核，而電子則圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。原子核周圍的電子會(huì)與其他原子中的電子結(jié)合，并形成復(fù)雜的排列；這種結(jié)合正是化學(xué)的基礎(chǔ)，也是我們周圍各種物質(zhì)之所以形態(tài)、性質(zhì)各異的基礎(chǔ)。

然而，質(zhì)子和中子仍不是不可分割的結(jié)構(gòu)，它們是由被稱為上夸克和下夸克的微小組分構(gòu)成的，質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成。

現(xiàn)在，我們可以回答開頭的問題：日常生活中的所有物質(zhì)都是由三種粒子——電子、上夸克、下夸克——組成的。所有千變?nèi)f化的不同物質(zhì)之間的區(qū)別都源于這些粒子是如何排列組合在一起的。

宇宙中的粒子

一個(gè)有趣的問題是，有沒有什么東西不是由夸克和電子構(gòu)成的？乍聽之下你可能很難立即想到這樣一個(gè)問題的答案。但有一種熟悉的“物質(zhì)”可能最終會(huì)躍入腦海——光。

把光稱為“物質(zhì)”似乎是很奇怪的，但現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)確定，光實(shí)際上與物質(zhì)很相似：它以有限地的速度傳播（約300000km/s），它會(huì)受到引力的影響（這是由愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的），它甚至是由微小的粒子——光子——組成的。

如果連光都是由粒子構(gòu)成的，那么說“一切事物都是由粒子構(gòu)成的”似乎是一個(gè)合理的猜測(cè)。那么除了剛才說到的電子、上夸克、下夸克、光子之外，我們還能找到更多這樣的粒子嗎？答案是肯定的。自現(xiàn)代粒子物理學(xué)誕生以來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)從宇宙射線和粒子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)了大量的粒子。幸運(yùn)的是，在克服了許多令人費(fèi)解的難題之后，他們發(fā)現(xiàn)這些粒子都是由一小組基本粒子所形成的不同組合。這里，基本粒子是指那些無(wú)法由更小的物質(zhì)組成的粒子，是真正不可再分割的，它們共有17個(gè)（不包括反物質(zhì)粒子）：

首先，我們有三個(gè)家族，物理學(xué)家稱為三代，每代都包含了四種物質(zhì)粒子：兩個(gè)夸克和兩個(gè)輕子。在第一代中，我們看到熟悉的上夸克（u）、下夸克（d）和電子（e），以及第四種粒子——電子中微子（v_e）。電子中微子是一種非常輕的粒子，它大量產(chǎn)生于太陽(yáng)之中，由于幾乎不與物質(zhì)相互作用，因此大部分都會(huì)直接穿過普通物質(zhì)。

第二代和第三代的粒子的性質(zhì)與第一代粒子完全相同，除了它們更加的重。物理學(xué)家至今都不知道，為什么會(huì)有三代粒子。這非常奇怪，但事實(shí)就是如此。

除了6種夸克和6種輕子之外，還有四個(gè)所謂的規(guī)范玻色子，它們是傳遞力的粒子。例如，光子（γ）負(fù)責(zé)傳遞電磁力，即當(dāng)兩個(gè)電子相互排斥時(shí)，它們實(shí)際上是在交換一個(gè)光子。此外，另外三種規(guī)范玻色子與另外兩種基本力有關(guān)：膠子（g）負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力，W和Z玻色子傳遞弱核力。（注意，這里沒有涉及到的是第四種基本的力：引力）。

2012年，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了第17種基本粒子——希格斯玻色子（質(zhì)量為125GeV/c2）。這是基本粒子中最有意思的一個(gè)：粒子通過與希格斯玻色子的相互作用而獲得質(zhì)量。目前，物理學(xué)家仍然在繼續(xù)研究希格斯玻色子的性質(zhì)。有些物理學(xué)家將它與宇宙暴脹聯(lián)系起來(lái)，有些人則用它來(lái)解釋物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱性。

結(jié)合愛因斯坦的引力理論，這17種粒子幾乎可以解釋物理學(xué)中所有的觀測(cè)結(jié)果，只有少數(shù)天文觀測(cè)例外。我們?cè)谌粘Ｉ钪杏龅降乃惺挛铮罱K都可歸結(jié)于這些粒子之間的相互作用。單獨(dú)審視這些作用可能非常簡(jiǎn)單直觀，但它們組合在一起就構(gòu)成了我們所知的一切復(fù)雜性。就好比我們的宇宙是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器，其中每個(gè)組件都根據(jù)最簡(jiǎn)單的規(guī)則行使自己的職責(zé)（下一篇文章中，我們將進(jìn)一步探討這些規(guī)則）。

參考來(lái)源：

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