基本粒子的哲學思考
基本粒子的哲學思考
我們把粒子的電荷理解為粒子的一種傾向性，即對于電磁力的反應，荷的量與反應程度相符合。如果兩個帶電粒子相互接近，它們就會彼此吸引或排斥，而且吸引或排斥的力與荷的積成正比。另外，這種力的強度與這兩個帶電粒子間的距離的平方成反比。這是物理常識——庫侖定律的内容。如果兩個粒子不帶電，它們自然就既沒有吸引力，也沒有排斥力，而是呈中性。
量子電動力學描述兩個帶粒子之間相互作用的思想，從根本上說是一種新思想，但這種思想在二十世紀三十年代就出現了。這種思想就在于把這種力與第三種粒子的交換看成是同一個東西。這種粒子又稱為中間粒子，現在人們稱之為光子。它是電磁輻射的量子。光子沒有電荷，也沒有質量。由于沒有質量，它以光速運動。
我們如何能夠賦予粒子以電磁力承擔者的身分呢？有些物理學家曾經試圖為此作了個有趣的比喻：有個孩子玩球，他在球上系上一根有伸縮力的繩子，一端繩子系在自己手上，他把球抛出去，又用那根有伸縮力的繩子把球收回來。這就像一個單個的帶電粒子不斷地發射出光子，又捕捉住這個光子。如果在這個球上系上兩根有伸縮力的繩子，由兩個孩子來玩這一個球，就有可能有一個孩子抓住了這個球，而沒有抓住球的那個孩子的那一方的繩子就會被拉得緊緊的。在這個比喻中，球的抓獲就相當于光子被處于相互作用中的兩個粒子之一所吸收。當然，任何比喻都隻是為了便于他人理解自己所表述的内容，其實，兩個帶電粒子之間交換光子并不在光子上系什麼繩子，不過把這個繩子比作電磁力也算是合适的。
物理學家采用這種模型說明電磁作用的主要原因是：讓人們擺脫一種力不需要任何時間并且超越任何空間也能産生的思想。而我們所尊崇的物理學大師牛頓就認為引力是一種超距的作用力。但是，電磁相互作用過程卻屬于那種與我們稱作短程作用原則的東西完全一緻的過程。因為每一個這樣的過程都可以分為與這一原則相一緻的三個階段：開始是一個時空上準确确定的事件；二是它以有限速度伸展的過程；三是在這一個過程終點的第二個點的事件。第一個點事件是在一個完全确定的時間和空間上的光子發射，第二個點事件是光子被吸收又是在一個完全确定的時間和空間點上。這二者中間發生的過程是光子從發射到吸收點的以光速完成的運動。
但是，如果現在物理學再沒有其他原理可供使用，即使采用電磁相互作用的新說明模型，這種摒棄超距作用概念的形式仍然會有不可克服的困難。因為光子的交換似乎是違反了兩條根本自然法則：能量守恒定律和動量守恒這兩個原理。我們可以用下面這種思想實驗來說明這一點。為此，我們在實驗上可以使用兩個處于很短距離的電子，在這一實驗中我們來測量這兩個電子之間的力。我們假定有光子在這兩個電子之間進行交換。在一般情況下，這個被發射粒子帶有發射粒子具有的一分能量和一分動量，同樣，這個吸收粒子在一般情況下獲得了被吸收光子的能量和動量。但是，這樣的标準情況是不存在的，因為在這一實驗中，無論是發射粒子還是吸收粒子都不得不人為地使它們靜止下來，因此，不能改變它們的能量，也不能改變它們的動量。
如何克服這一困難呢？回答是：這裡的被交換的光子不同于我們能在太陽光或者電磁波光中發現的真實的光子，考慮到這種區别，在思想實驗中科學家把所交換的光子被稱為虛光子。
使用虛光子絕對不像看上去那樣包含着一種為克服上面提到的困難而特别提出的假設，甚至于包含有居于存在與非存在之間的半真實的夢幻，因為虛光子的特性允許借助海森伯測不準關系來說明。按這種，我們并沒有違反能量守恒和動量守恒這兩個定律。隻是在光子從一個電子到另一個電子的交換的短時間内似乎違反了上面兩個定律，按測不準關系，這樣的違反是允許的。隻要時間不是太久，空間不是太長就行。無論如何，兩個電子在虛光子被發射以前和被吸收以後，一定具有相等的能量，這兩個守恒定律允許被違反的條件是能量的餘額要足夠迅速地相互抵消。通過被發射光子帶走的能量和動量越大，就必然越快地被吸收。更準确地說，被發射的虛光子造成的能量虧損與壽命的乘積決不能大于測不準關系中出現的常數。
這裡所涉及的是其存在與能量原理不相容的一些粒子，盡管如此，我們還是可以假設這些粒子的存在，其原因是就能量在量子力學意義上是“不确定”的這一點而言，能量守恒定律是沒有根據的。如果一個實電子被由虛光子以及一些虛電子和虛正電子構成的雲包圍，會發生什麼情況？沒有任何一個帶電荷的光子不産生效應，相反，帶電的虛粒子卻被極化，就是說所有帶負電的虛粒子都被排斥，因為實電子本身是帶負電的。而帶正電的虛粒子，即虛正電子卻被吸收。這樣，在極短的距離内圍繞實電子便形成由帶正電荷的粒子構成的雲，這種雲把電荷部分地屏蔽住了。結果是所謂裸露的電荷要大于被測量的電荷。我們實際上測量的電荷相當于裸露負電荷與屏蔽電荷（正電荷）的有限差。
基本粒子（Basicparticle）的分類
雖然公元前四百多年古希臘人就假想出一切物質都是由基本粒子原子所構成，但是20世紀之前，人們不能解釋原子的大小，也不能說明原子為什麼會是穩定的，更沒有人敢肯定原子也是可以再分割成更小的更基本的粒子，一緻認為原子就是不可以再分割的粒子。1911年，由新西蘭物理學家歐内斯特.盧瑟福(ErnestRutherford1871—1937年)作的實驗最先證明證明原子的所有正電荷、以及幾乎所有的質量都集中在一個很小的中心上，他把這個中心稱為原子核。這個原子核又可以分為兩部分：中子和質子。中子不帶電荷，呈電中性；質子帶正電荷。這兩個粒子由一種非常強的自然力束縛在一起很難分開。以這個原子核為中心，根據這個中心的帶正電荷的質子數相對的分布有一定數量的電子類粒子，按一定的軌道旋轉和自轉，在原子核與電子類粒子之間有一個很大的空間，所以任何物質都是可以壓縮的。
原子核雖然是由中子和質子組成，由強力緊緊地束縛在一起，但是，在一定的條件下它們也是會通過放射某種粒子而衰變的。其放射主要有三種：一是放射阿爾法α粒子，即兩個中子和二個質子。這個阿爾法粒子其實就是一個氦原子核。阿爾法粒子隻能由不穩定的原子核衰變時放出；二是放射貝塔β粒子。這個貝塔β粒子其實就是一個電子。這個電子（貝塔粒子）粒子由質子中放出，一個原子核中放射出貝塔粒子後，這個原子核就少了一個質子，多了一個中子。由此可以看出，質子之中也含有電子。質子和中子的區别就在于質子是含有電子的粒子，當一個質子失去一個電子後，它也就失去了帶正電的資格而變成電中性的中子了。相反，如果一個中子強加給它一個β粒子（電子），這個中子也就變成質子而帶正電，從而失去了呈電中性的資格；三是放射γ伽瑪射線，即高能光子。這種放射是原子核從一個激發狀态轉變到一個低能量狀态時放出的高能光子。伽瑪射線γ放射後，原子核内質子數和中子數保持不變。
從這三種放射後産生的後果來看，質子、中子、電子這三種粒子也是可以相互轉換的。也就是說，不僅原子不是不可以分割的粒子，就是它所包含的質子、中子、電子也不是物質的最基本的粒子。一般說來，原子在正常情況下，它是處于穩定的化學狀态，但是，原子在某種特殊環境下（如高速、高壓、強輻射等），也會變成不穩定的粒子或者激發狀态的粒子，從而引起放射性衰變。
不僅如此，通過自然衰變和人工的聚變或裂變，把一種原子核變成另一種原子核。如通過聚變把氘或氚原子核變成氦核。
自從量子力學出現後，物理學家已經把原子細分成很多類：
1，電子類粒子。電子類粒子可分為電子、μ子和τ子三大類。
①，電子反電子電子中微子反電子中微子
②，μ子反μ子μ子中微子反μ子中微子
③，τ子反τ子τ子中微子反τ子中微子
以上這12種粒子構成原子的外殼子，習慣上稱這些粒子為輕子。值得說明的是μ子的質量是電子的200倍，τ子的質量是電子的質量的3500倍。
2，由于原子的質量全集中在原子核，所以習慣上稱中子和質子為重子。這些重子是由誇克組成的。
①，下誇克反下誇克上誇克反上誇克
②，奇誇克反奇誇克粲誇克反粲誇克
③，底誇克反底誇克頂誇克反頂誇克
誇克，英文寫作Quark。這個我們人類還沒有單獨看見過的小粒子，它的名字來源于大文學家詹姆斯.喬伊斯(JamesJoyce)的童話故事中的人物,在那裡的意思是”小矮人”。現在，我們還沒有辦法直觀這些誇克，把原子核說成是由這些誇克構成的現在還隻是量子力學思辨後的認識表達。要把誇克從一個中子或者質子分解出來，至少需要80億電子伏特的能量。我們人類現有的粒子加速器還不能作這樣的實驗。這樣的能量消耗人類還支付不起。
這些由誇克組成的原子核，是原子質量的99.9%，體積卻很小，如果把原子核集中起來，作一個由原子核做的骰子（一立方厘米大），它的重量将重達14噸重。喜歡玩麻将的朋友們可能誰也玩不動它。如果要提煉這樣一個由原子核作的骰子，至少需要一座泰山來作原材料。
誇克都是大質量的粒子，它自旋為半整數，表明它的自轉運動遵從“泡利不相容原理”。用現有的技術沒有發現它的明顯的結構，也表明現在我們無法把它分成更小的粒子。即使是這樣，我們也不能過早地下結論說誇克就是最小的基本粒子。誇克總是與别的誇克組合在一起，例如，下誇克除了與自己的反下誇克組合在一起以外，通常還與上誇克及反上誇克組合在一起組合成一個介子。把這些誇克組合在一起形成介子以及形成原子核的力叫作“強相互作用力”（Stronginteraction）,這種力是自然界最強的自然力。
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