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你知道吗--现代科学中的100个问题-第13部分
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一般也越不稳定。
从某种意义上说，从被击碎的原子核飞出的亚原子粒子，就象火石打击钢铁时飞出的火花一样。钢铁中本来并没有火花，火花是由撞击的能量产生的。
但是，如果这样的话，所有这些亚原子粒子还有什么重要性？它们不可能就象火花那样，也只不过是能量的一些偶然的产物吗？
物理学家并不这样想，因为这些粒子所遵循的法则太多了。所形成的粒子都具有一定的特性，这些特性要服从一些相当错综复杂的法则。这就是说，各种不同的粒子都可以用一些被称为“同位旋”、“奇异性”、“宇称”等等的数字来表示，这些数字的本性受到某些严格的限制因素的支配。
可见，在这些限制因素的后面必然隐藏着某种东西。
美国物理学家盖尔曼已经研究出了一种按照这些数字逐渐增大的次序把各种亚原子粒子排列成表的体系，由于这样做，他就能够预言一些迄今未知的新粒子。具体地说，他曾经预言了负ω粒子的存在，这种粒子应该具有某些看来不太可能的特性，但是，当人们去寻找这种粒子时，它果然被发现了，并且还正好具有盖尔曼所预言的那些特性。
盖尔曼还提出，如果目前已知的几百种粒子全都是由很少几种更简单的粒子（他把这些粒子称为“夸克”）构成的，那么，已知的粒子就会很自然地按照他所指出的方式排列成一个表。目前，许多物理学家正在搜索这种夸克。如果夸克真的被发现了，那么，它们可能为我们提供一幅有关物质的根本性质的崭新图景，那对我们很可能是极其有用的。
第57节
夸克这个概念，是由于最近２５年来发现了７百多种不同的亚原子粒子才产生出来的。确实，其中只有很少几种粒子能够维持到十亿分之一秒才发生衰变，但是，仅仅存在着这些粒子的事实本身，就够物理学家伤脑筋了。
为什么会有这么许多粒子，而且每一种粒子都与别种粒子不相同呢？
事情会不会是这样：这些不同的粒子可能组成几个大家族，并且每个家族内的许多粒子可能按照非常有规律的方式彼此有些差异？要是这样的话，就只需要考虑到少数几个粒子家族的存在，而无需把每一种粒子一一分别考虑了。这时，在看来似乎杂乱无章的亚原子丛林里，就会建之起某种秩序来了。
１９６１年，美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家尼门分别研究出一种把粒子归入这样一些家族的办法。盖尔曼甚至还提出，有一个粒子族应该包括一种他称之为负ω粒子的东西——这是一种具有非常奇特的、极不寻常的性质的粒子，但人们从来没有碰到过它。不过，物理学家只要知道它按照假设应该会有什么样的性质，他们就知道该怎样去寻找它了。结果，他们在１９６４年发现了这种粒子，并且发现它的性质正好与盖尔曼对它的描绘一模一样。^米^花^书^库^ ；http：//__
盖尔曼在研究他那些粒子家族时想到，说不定所有各种不同的亚原子粒子会是由很少几种更为简单的粒子结合而成的。如果真是这样，那可就会把我们对宇宙的看法大大简化。在他看来，只要假定存在着三种不同的、具有特定性质的亚原子粒子，就可以按不同的方式把它们组合起来，得出已知的所有各种亚原子粒子。
由于要用三个这种假设的粒子结合起来，才能构成一个已知的粒子，盖尔曼就想起了作家乔伊斯的《芬尼根斯·韦克》中的一句话（作者为耍弄文学技巧，故意在这本书中玩文字游戏）：“三个夸克才顶得上一个马克。”因此，盖尔曼就把这些假设中的粒子命名为“夸克”。
夸克的二个令人惊奇之处，就是它们应该带有非整数电荷。所有已知的电荷不外以下几种情况：或者等于电子的电荷（－１），或者等于质子的电荷（十１），再不然，就是正好等于这两种电荷的若干倍。但是，ｐ夸克的电荷只有＋２／３，ｎ夸克和λ夸克的电荷只有－１／３。这样，一个质子将由一个ｎ夸克和两个ｐ夸克构成，一个中子则由两个ｎ夸克和一个ｐ夸克构成，余者依此类推。
但是，夸克是真的存在呢，还是仅仅是一种数学上的臆想？
为了让你明白我的意思，请你考虑一张五角的钞票。一张五角的钞票可以看作等于１０个五分的硬币。但是，这仅仅是一道算式呢，还是你真的有可能把这张五角的钞票撕成十份，并且发现每一份都是一个实实在在的五分硬币？
自从盖尔曼第一次提出存在夸克粒子以来，物理学家就一直千方百计想找到夸克存在的迹象，但却没有成功。
１９６９年，澳大利亚有人报道说，已经在宇宙线碰撞所产生的粒子簇射中，找到了带非整数电荷的粒子的径迹。不过，它的证据看起来非常玄，所以，大多数物理学家对这个报道都持怀疑态度。
碧声注：２０００年２月，欧洲核子中心（ＣＥＲＮ）的科学家宣布，他们成功地在实验室中模拟微型的“宇宙大爆炸”，从中获得证据表明，存在一种新的物质形态——“夸克胶子浆”。
第58节
这两种说法都可以成立。至少，这两种说法并不一定是自相矛盾的。要解开这个表面上的矛盾，关键问题是得注意到质量是能量的一种表现形式这个事实。
我们可以认为，每一个物体相对于某个合适的参考系都具有某一动能。这个动能等于物体的质量乘以物体速度的平方的二分之一。当物体的能量增大时，它的质量和速度两者都增大了（在低能量时主要是速度增大，在能量非常高时主要是质量增大）。
其次，我们来考虑一些比较小的物体。这些物体结合得越紧，（一般说来）把它们维持在一起的力就越大，象太阳和地球这类确实很大的物体，是靠万有引力场维持在一起的。万有引力是目前已知的各种力当中最弱的一种。~米~花~书~库~ ；__
原子和分子是靠强得多的电磁场维持在一起的。由于这种场的作用，分子和分子通常十分牢固地结合在一起，分子中各个原子的结合还要更牢固，而原子中电子和原子核的结合就更牢固得多了。
原子核中的各个粒子是靠核力场维持在一起的。核力场比电磁场强一百多倍，事实上，核力是已经知道的最强的力。这就是原子弹爆炸为什么比普通炸药爆炸猛烈那么多的原因之一。
假如处在原子核中的质子（和中子）本身是由一些还要更基本的粒子（夸克）所组成，那么，把各个夸克维持在一起的结合力很可能要比把质子和中子维持在一起的力强得多，这大概就会牵涉到一种比现在已知的各种场强得多的新力场。
要把单个质子或单个中子分裂成构成它的几个夸克，必须对质子或中子“灌进”极巨大的能量——这个能量要比在把构成原子核的质子、中子团块成功地切开时所需要的能量大得多。
当质子或中子分裂时，那些在这时出现的夸克就会“拣起”原先输入的能量，这个能量有些会表现成巨大的速度，有些则表现为巨大的质量。换句话说，由于输入了非常巨大的能量，本来在质子中只占质子质量三分之一的一个夸克，一旦被分离开来，它的质量就会变得比质子大许多倍。
夸克一旦被分离开来，由于它们之间相互吸引的力场具有空前未有的强度，它们就极其倾向于重新结合起来。这种重新结合会释放出极其巨大的能量，而这种能量损失就会引起质量的损失。这时，夸克在质量上就会大大缩减，以致当三个夸克结合起来时，质量也不会比一个质子大。
到目前为止，物理学家还完全没有具备把亚原子粒子分裂成夸克所必需的这种能量，所以，他们就不容易检验夸克的假说是不是真正有价值。不过，有些宇宙线粒子具有这样的能量。因此，它们在同原子碰撞时所产生的粒子簇射，现在正受到物理学家的密切注意，他们希望在这里找到夸克呢！
第59节
能量是肯定有可能转变成物质的，不过，要想大量做到这一点，在实践上却办不到。现在我们就来看看这是为什么。
按照爱因斯坦的狭义相对论，Ｅ＝ｍｃ＾２（碧声注：ｃ的２次方）。这里Ｅ代表能量，以尔格为单位；ｍ代表质量，以克为单位；ｃ代表光的速度，以每秒厘米为单位。
光在真空中行进的速度非常接近于每秒３００亿（３×１０＾１０）厘米。ｃ＾２这个量代表ｃ×ｃ的乘积，即等于３×１０＾１０×３×１０＾１０＝９×１０＾２０。这就是说，ｃ＾２等于
９００，０００，０００，０００，０００，０００，０００。
因此，从理论上说１克的质量（ｍ＝１）可以转化成９×１０＾２０尔格的能量。2米2花2书2库2 ；http：//www。7mihua。com
尔格是个非常小的能量单位。我们比较熟悉的单位是千卡（大卡）：１千卡大致等于４２０亿尔格。１克质量在转化成能量时大约产生２．２×１０＾１１（即２２００亿）千卡。你每天只要从你吃下的食物得到２，５００千卡的能量，就可以生活得很舒服了。要是你有１克物质所代表的能量可以利用，你就有了一个够你维持２４０，０００年的能源，这不管是用什么人的标准来衡量，都是一个巨大的数目。
换一种表示方法吧！如果１克物质所代表的能量能够完全变成电能，那么，它可以供一盏１００瓦的电灯泡连续点燃大约２８０，０００年。
再换一种说法，那就是，１克物质所蕴含的能量相当于燃烧７千万加仑汽油所得到的能量。
因此，既然原子弹里有数量相当可观的物质变成能量，那么，原子弹爆炸时会造成那么巨大的破坏作用，也就不足为奇了。
这种转化可以朝两个方向进行。如果说物质能够转化成能量的话，能量也可以转化成物质。这是任何时候都可以在实验室里参观的：一种能量非常高的粒子——γ射线光子——能够不太费劲地转化成一个电子和一个正电子。这时，物质转化成能量的过程就颠倒过来了：现在是能量通过这种方式转化成物质。
但是，这时形成的物质只包含两种非常轻的粒子，它们的质量小到几乎等于零。用这样的原理能够产生更多的物质——多到甚至看得见的物质吗？
可是，这一来你可就用得上算术了：既然１克物质可以转化成燃烧７千万加仑汽油所产生的能量，那么，燃烧７千万加仑汽油所产生的全部能量，也仅仅能够产生１克物质。
即使有人想作一次表演，不惜倾家荡产去积集只能够产生１克物质的全部能量（并且这能量可能要比所需要的能量多好几倍，因为总会有一些必不可少的消耗），也还是无法做到这一点。事情很简单：所需要的能量既不可能足够快地全部产生出物质来，也不可能全部集中在一个一下子能产生出１克物质的充分小的体积里。
可见，这种转化在理论上虽然有可能实现，但在实践中却完全做不到。不错，根据科学家们的推断，宇宙中的物质过去一度是由能量形成的，但是，形成这些物质的任何一组条件肯定是我们现在在实验室里无法再现的。
第60节
二十世纪初，物理学家开始明白，一切物质都是由某几种不同的粒子组成的。１９３０年，英国物理学家狄拉克在研究这些粒子的数学理论时断言说，每一种粒子都应该会有它的对立面。
举个例子说吧！电子具有负电荷，而质子具有大小正好相同的正电荷，但这两种粒子并不是对立面。质子的质量显然比电子大得多。
按照狄拉克的意见，应该存在着一种具有与电子同样大的质量、但却带有一个正电荷的粒子，也应该有一种具有与质子同样大的质量、但却带一个负电荷的粒子。这两种粒子后来确实被人们探测到了，因此，我们现在知道有一种“反电子”（即“正电子”）和一种“反质子”。
中子根本不带任何电荷，但它有一个指向某个方向的磁场。“反中子”也不带电荷，但它的磁场所指的方向同中子的磁场相反。
似乎存在着这样一条自然规律：一个粒子可以转变为另一个粒子，但是，要是在起先并不存在粒子的情况下产生了一个粒子，就必定会同时产生一个反粒子。
这里可以举一个例子，一个中子可以转变成一个质子，由于这是一个粒子转变成另一个粒子，似乎是不成问题的。不过，在这个转化过程中还形成了一个电子。这就等于说有一个粒子变成了两个粒子。为了抵消掉这第二个粒子，这时还形成了一个非常微小的反粒子，即所谓“反中微子”。
这时，一个粒子（即中子）变成了另一个粒子（即质子）加上一个粒子－反粒子对（即电子和反中微子）。
粒子－反粒子对既可以从能量产生出来，也可以重新全部变为能量。你无法用能量仅仅产生一个粒子，也无法仅仅产生一个反粒子，但是，你可以用能量产生一个粒子－反粒子对。
能量本身是由“光子”构成的，这就产生了一个问题：光于是个粒子呢，还是个反粒子？似乎没有任何办法把一个光子转变成一个电子，所以，它不可能是粒子。但是，同样也没有任何办法把它转变成一个反电子，所以，它也不可能是反粒子。
不过，一个能量充分高的γ射线光子可以转变成一个电子－反电子对。这么一来，光子本身似乎既不是粒子，也不是反粒子，而是一下子就代表一个粒子－反粒子对。
每一个光子也都是一个反光子。换句话说，光子就是它自身的对立面。
你可以这样来看待这个问题：假定你把一张纸从当中对折，并把它一分为二。在其中的半张纸上写下所有粒子的名称，而在另外半张纸上写下所有反粒子的名称。那么，你该把光子写在什么地方呢？当然是该写在折缝里了。
正是由于这个原因，粒子世界所产生的能量是由光子组成的，反粒子世界产生的能量也是由光子组成的，两者之间毫无差别。能量就是能量，并不存在什么反能量之类的东西（就我们目前所知道的而论）。
第61节
宇宙线是由速度不断增大、带有正电荷和质量颇大的亚原子粒子组成的，在这些粒子当中有百分之九十左右是质子（氢原子核），百分之九是α粒子（氦原子核）。剩下的百分之一是更复杂的原子核。已经探测到其中有像铁那样复杂的原子核（铁原子核的质量等于单个质子质量的56倍）。
由于宇宙线粒子的质量这样大，并且又以极其巨大的速度运动（很接近光速），它们就带有极大的能量。事实上，它们是我们所知道的、能量最大的粒子，有些宇宙线粒子的能量比用最最大的加速器所能产生的粒子还要高几十亿倍。
宇宙线粒子在迅猛地撞入地球的大气中时，把它们所碰到的任何原子都击得粉碎，从而产生大量的“次级辐射”，这是由包括介子和正电子在�
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