組成萬物的最小構造是什麼?(中)

——書接上文組成萬物的最小構造是什麼?(上)

1869年,俄國化學家門捷列夫將化學元素分類排序,組成了第一個真正意義上的元素周期表,元素分類的這種重複模式,啟發了物理學家,去探索物質深層結構——更小更神秘的粒子。

1897年,英國物理學家約瑟夫·湯姆遜發現一種帶負電荷的微粒,這就是電子——科學史上發現的第一個微觀粒子,也是迄今為止一直被認為是基本粒子(不可再分)的一種粒子。

從此以後,越來越多的微觀粒子被陸續發現,有關粒子物理、量子世界的大門也由此打開。

湯姆遜發現電子後並沒有止步,而是進一步提出了原子結構模型。1904年,他提出了著名的原子西瓜模型——把原子想像成一個西瓜,均勻帶正電荷的部分是紅色的瓜瓤,帶負電荷的電子就是嵌在瓜瓤里的西瓜子。

不過,長江後浪推前浪,湯姆遜的原子西瓜模型很快就被他的得意門生——盧瑟福給否定了。

盧瑟福創建了行星模型,原子內部結構就像太陽系,原子中心有個原子核,電子就像各行星一樣圍繞原子核轉。

以至於,1957年成立的國際原子能機構IAEA,至今還沿用這一模型作為LOGO。

不過,行星模型後來又遇到經典電磁場理論的當頭一棒。因為根據麥克斯韋理論,電子圍繞原子核轉,就會不停地發出電磁波,也會不停地損失能量,旋轉半徑也會越來越小,最後一頭扎進原子核的懷抱。這樣,原子行星模型不會穩定,也站不住腳。

就在這時,尼爾斯·玻爾登場了,這位量子力學的開山祖師,建立了半經典、半量子的原子理論,既保留了行星模型的電子軌道,又提出這些軌道不是任意、連續的,而是量子化的。也就是說電子會在一個軌道消失後立即出現在另一個軌道上,而不是通過中間的空間移動過去的——這就是著名的量子躍遷。這看起來極其怪異的理論,卻在實驗中表現得讓人折服。

當然,玻爾模型並非完美,也不是徹底的量子態模型。後來,在薛定諤建立了波動方程之後,物理學界才完善了原子的電子云模型——圍繞原子核運動的並不是量子躍遷的單個電子,而是一個帶負電荷的雲團。至今,這個模型仍然極其成功,因為它跟實驗符合得很完美。

▲20世紀上半葉原子模型的演進,自左至右依次是:西瓜模型、行星模型、玻爾模型、電子云模型。

原子模型既然已經OK了,下面就該輪到解剖原子核啦。

早在20世紀初,科學家們就認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的粒子組成的。人們把這種粒子叫做質子,借用希臘文「第一」這個單詞,顧名思義,當時的人們已經把它當作不可再分的基本粒子了。

然而,早在盧瑟福創建原子行星模型的時候,他就認為原子核裡帶正電的質子旁邊,一定存在不帶電的粒子,這樣才能中和它的電性,盧瑟福把這種粒子叫做中子,意為「不帶電的中性粒子」。之所以他會引入「中子說」,就因為有了中子,帶負電荷的電子才不會被質子捕獲,理論模型才可能站得住腳。

儘管說起來很簡單,卻不容易被證明。直到盧瑟福的同事——英國物理學家查德威克整整忙乎了11年,才終於發現中子。時間是在1932年。

就在同一年,實驗物理學家還驚人地發現了另一種神奇的微觀粒子——跟電子正好相反的正電子,這就是人類發現的第一個反粒子。

早在1928年,大名鼎鼎的英國物理學家保羅·狄拉克做出一個驚人預測——宇宙中的每個基本粒子,都會有一個相對的反粒子,就像是一對雙胞胎,一旦它們相遇,就會相互湮滅,釋放巨大能量。

從此以後,一大波的粒子、反粒子湧現出來,就好像突然打開了潘多拉魔盒一樣。不過用不著害怕,它們都是無害的,況且還為物理學創造了一個「粒子動物園」!

從20世紀30年代,人類開始建造粒子加速器,一直到1960年代,總共發現的粒子總數多達200多種。

「粒子動物園」里的200多種粒子,難道都是基本粒子?我們下期細說。


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