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量子、原子、玻色子、費米子、夸克等各種“粒子”到底有啥區別?

前幾天,后臺有個小哥問我:粒子,分子,原子,量子,玻色子,費米子,質子、中子、電子簡單解釋一下。所以,今天我們就聊一聊各種“xx子”到底是什么意思?

統稱

其實,最好理解的是:粒子。它不特指某一類,而是一個統稱,也就是無論是玻色子、費米子、原子、中子、質子、電子都統稱為粒子。話說,我們上初高中都要背元素周期表,那上面就是元素的圖譜。實際上,不光元素有,粒子也有,科學家在上世紀為各種“xx子”構建了一張粒子周期表,我們稱其為粒子物理標準模型

發現了吧?這里就用到粒子“統稱”的概念。因此,關于粒子,你只需要記住它是一個“統稱”即可。

量子

量子是這些物理概念中最難理解的,我認為它代表著一種世界觀。我們要先從經典物理學說起,牛頓世界觀下的物理學認為,

物理變化是連續的。

這該如何理解呢?就拿自由落體來說,從5米掉下去一個物體,一般我們認為,整個過程是連續的,但是普朗克就提出,這種變化不是連續的,而是變化本身也有最小的變化單位。比如:最小單位是0.5米,那物體下落過程中,就應該是從5米到4.5米,然后4米……這里為了方便做了粗暴的處理,實際上這個最小的變化單位是極其小的。

咱們就說時間變化的最小單位,也就是普朗克時間,這個時間間隔只有:10^-43秒。而最小可測的距離,被稱為普朗克長度是 1.6x10^(-35)米。

普朗克在研究黑體輻射時,如果假設能量的變化是連續的,那理論就和現實是不相符的,只有假設輻射能量變化是不連續的,存在能量的最小單位:量子,能量的變化只能去量子的整數倍。

所以,我們可以認為,最早“量子”對于能量變化的概念,就類似于“原子”對于物質的概念。

這種全新的世界觀徹底改變了物理學的發展方向,20世紀初的物理學大神們都投入到相關研究當中,最終構建的物理學大廈。

分子

其實分子和原子的關系就很簡單了,分子是構成物質的粒子,一般是由兩個或者更多的原子一起構成的,而連接原子之間的是化學鍵,,所以,我們可以認為分子是保持化學性質的基本單位。當然同樣是化學鍵,也有不同,不過由于我們主要講“粒子”,所以就不過多贅述了。

尋找基本粒子

事實上,最早無論是粒子還是原子,都是學者們在尋找構成物質的最小單位。只不過,隨著科學的一步步深入,學者們發現自己太單純了,世界比自己想象中的還要瘋狂。先是有人發現了比原子還要小的電子,進而科學家盧瑟福直接轟擊原子,探明了其中存在一個遠比原子要小得多的原子核。

其實這也掀起來原子模型之爭,經歷了多代物理學家,出現了多種原子模型,最后海森堡一錘定音。如今的原子模型是這樣的,有個原子核,特別特別小,如果原子有足球場那么大,那原子核應該只有螞蟻的大小,不過原子的質量都在原子核的上面,電子在原子核外呈現概率云的排布。

通過撬開原子,科學家們搞清楚了原子模型。于是,他們開始要撬開原子核,通類似的辦法,他們發現了質子和中子。于是,他們就在想,質子和中子到底可不可再分?

于是,又用類似的辦法,他們打算轟開質子,看看質子里面還有什么?

結果,他們沒能轟開,并不是說質子就是最小的粒子,因為他們發現,轟擊質子時,會出現三個散射角度,這說明質子內部還存在三個粒子,它們構成了質子,科學家給這種粒子取名為:夸克。所以原子到原子核再到質子、中子,最后到夸克其實是不斷做切分的過程,而切到夸克,科學家就切不動了。所以,基本粒子當中就有夸克。

除了夸克之外,電子、μ子、τ子以及電子中微子、μ子中微子、τ子中微子都是沒有辦法繼續再分的基本粒子,也被稱為輕子。因此,這些基本粒子被我們稱為費米子

所以,費米子是構成物質的基本粒子的統稱。

傳遞相互作用

但是只有費米子是構不成物質的,必須有東西把費米子裝配起來才能構成物質。說白了,我們還需要費米子之間能夠相互作用,而傳遞這個相互作用的粒子的統稱就叫做:玻色子

在自然界存在四大作用力,分別是引力、強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用。

目前,還沒有找到傳遞引力的玻色子,(補充一句,引力子理論誤差巨大,并且沒有找到引力子,這并不是主流理論。)至于強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用都有相應的玻色子來傳遞作用,具體來說是這樣的:

  • 強相互作用:膠子和介子
  • 弱相互作用:W玻色子和Z玻色子
  • 電磁相互作用:光子

(PS:由于介子并不屬于基本粒子,所以并沒有被納入到粒子物理標準模型當中。)

關于這些粒子的質量,是由希格斯玻色子賦予的,這也被稱為希格斯機制,希格斯玻色子也就是粒子物理標準模型最后一塊拼圖,有了它就有之前我們說到的粒子物理標準模型了。

而以上這些粒子,并不是隨便編出來的??茖W家在上個世紀以及本世紀初,通過大型粒子對撞機都找到了它存在的證據。

最后,我們來總結一下,費米子是構成物質的基本粒子,而傳遞作用的是玻色子。下圖中就是費米子和玻色子之間的關系圖,矩形框內的就是費米子,而橢圓內的就是玻色子。

關于各種粒子的內容大概就是這么多,這期信息量很大,我們再來簡單的總結一下,

  • 粒子是所有微觀粒子的總稱,不特指某種粒子
  • 粒子還能分為費米子和玻色子,前者是構成物質的最小單位,后者是傳輸相互作用的。
  • 費米子中分為夸克和輕子。
  • 玻色子中分為規范玻色子和標量玻色子,規范玻色子有傳遞強相互作用的膠子,傳遞弱相互作用的W玻色子和Z玻色子,傳遞電磁力的光子;標量玻色子目前只有希格斯玻色子,是用來賦予粒子質量的。
  • 量子指的是能量的最小單位,能量變化只能取量子的整數倍。因此,能量的變化并不是連續的,量子顛覆了經典物理學中“變化是連續的”觀念。
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