夸克就是构成物质的最基本的粒子吗?物质是否还能再分,又或者是无限可分的?
原子是构成物质的化学基础,从古代原子论,再到近代原子论,科学家们一度以为原子就是最基本的粒子,是不可再分的。可在20世纪初,人们又发现原子还拥有内部结构,原子由原子核和核外电子构成,原子核则由质子和中子构成。
本以为一切都结束了,可没过几年,科学家又发现质子和中子还拥有更深层次的结构。科学家发现,质子或中子都是由三个夸克构成的,而像这类由夸克构成的粒子,则被统称为强子;至于电子则被划分为轻子。
那么夸克和电子还能再分吗?现代物理学告诉我们,这应该就是最基本的粒子了。不过这些粒子的尺度与普朗克长度还相差了多个数量级,因此我们仍然有理由怀疑这些粒子内部还存在更基本的结构,只是目前并没有发现任何蛛丝马迹。
现代物理学中有一个被叫做标准模型的理论框架,用于描述基本粒子及它们之间的相互作用。其囊括了61种基本粒子,可分为夸克、轻子、传播子(包括光子、胶子等)三大类。
该理论还很好地解释了电磁力、强核力、弱核力这自然界中的三大基本作用力,只是始终无法将引力纳入其中。
当物质细分到了夸克这一层面,科学家发现了一些神奇的现象,比如三个夸克的静止质量加起来远远小于由它们所构成的强子的静止质量。
那这凭空多出来的质量是怎么来的呢?
三个夸克根据类型的不同可分别构成质子或者中子,它们之间依靠强核力的强大束缚力结合在一起。质子和中子结合成原子核,也是强核力的作用。强核力是一种短程力,由胶子进行传递,虽仅在原子核这样的尺度下生效,但强度是自然界中四大基本力中最强的。物理学家格罗斯于1973年提出了强相互作用的概念,并被后来的实验所证实。
科学家发现,三个夸克结合成质子或者中子后,这多出来的很大一部分质量就是由强核力转化而来的。能量变质量,准确来说能量就是质量,这一点爱因斯坦很早就从理论层面提出来了,还给出了精确衡量这两者之间关系的方程,爱因斯坦不愧是大神。
核反应之所以能够释放出比化学反应大得多的能量,就是因为核反应触及到了原子核层面,其能量主要来源于强核力,而化学反应则仅触及核外电子,其能量来源于电磁力,电磁力的强度远小于强核力。
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