第208章 开学第一课

不论是加拿大的萨德伯里陨石坑，还是南非的费里德堡陨石坑，有证据表明都曾引起火山喷发。大规模的火山活动能直接导致许多物种的灭绝。大范围的火山喷发会增加大气层中的灰尘，首先使一段时期的气候持续变冷，然后逐渐导致相应的全球破坏性气候变暖，最后是致命的酸雨。

人们知道，恐龙是古代一种大型爬行动物，如果中生代末期它们不灭绝，那么处于蒙昧时代的古猿至少没有机会变成现代的人。那么恐龙是怎样来灭绝的呢？科学家们发现，在白垩纪——第三边界沉积层堆积着一层厚约几十厘米的白色粉末，那是地球上极为罕见的氨基酸。

因此，他们推断：6500万年前一颗直径约10公里的陨石与地球相撞，撞击后的巨大爆炸使大多数恐龙立刻死去，爆炸后的粉末笼罩在大地上空，数年之久，土温骤变，致使恐龙无一幸存，而恐龙的灭绝却给其它新生动物带来了生机，比如哺乳动物的出现，古猿也被迫走出森林。

陨石促成了人类的产生，由于陨石的影响，促进了生物的产生。进化，发展，但陨石也会带来毁灭人类的危害性。比如没入大西洋海底的古文明大陆大西洲，因为它正处于上面所提到的大西洋巨型陨坑的边上，创造出灿烂的玛雅文化的古印第安人之所以突然失踪，也是因为在他们那里时常有陨石出现?

在不断发展着的今天，身外是个充满神奇的世界，同时也充满着危险。

曙光学院地下城的教室里，华枫，云梦，白凤等众学员正安静的坐在台下，迎接他们秋季开学的第一课。

“同学们！欢迎你们重新回到教室，下面我要讲的是种非常重要的物质——粒子。”老师的声音拉长，以便引起足够的重视。

“粒子

（pa

ticle），是指能够以自由状态存在的最小物质组成部分。最早发现的粒子是原子、电子和质子，1932年又发现中子，确认原子由电子、质子和中子组成，它们比起原子来是更为基本的物质组分，于是称之为基本粒子。

以后这类粒子发现越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构。看来这些粒子并不属于同一层次，因此基本粒子一词已成为历史，如今统称为粒子。粒子并不是像中子、质子等实际存在的具体的物质，而是它们的统称，是一种模型理念。

1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子

”。”

接下来华枫在近乎神由的状态下，了解到更多，包括19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。

逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子

；又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。

20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。

粒子之间存在着相互作用

，有强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，其中引力相互作用非常弱，可以忽略。通过这些相互作用，产生新粒子或发生粒子衰变等粒子转化现象。

按照参与相互作用的性质将粒子分成以下几类：规范粒子。即传递相互作用的媒介粒子，已发现的有传递电磁作用的光子和传递弱作用的W、Z粒子。轻子。不直接参与强作用可直接参与电磁作用和弱作用的粒子，已发现的有电子、μ子、τ子和相伴的电子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它们的反粒子共12种。

强子，直接参与强作用，也参与电磁作用和弱作用的粒子。其中自旋为整数的强子称为介子，自旋为半整数的强子称为重子。强子的数目众多，其中大部分是通过强作用衰变的粒子，其寿命极短，是不稳定的粒子，也称为共振态。

各种粒子分别有各自的内禀性质

，有粒子的质量m（静质量，以能量表示）、寿命τ（平均寿命，指静止系的平均寿命）、电荷Q（以质子的电荷为单位）、自旋J（以为单位）、宇称P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子数B、轻子数Le、、L

、奇异数S、粲数C

、底数d等等。

在现有实验的精度下，轻子的行为类似点粒子，没有显示出具有内部结构，而强子显示是复合粒子，具有一定的结构。按照现代粒子物理的观点，介子由一对正反夸克构成，重子由3个夸克构成，轻子和夸克属于同一层次。

基本粒子是构成一切物质实体的基本成分；也指量子理论中有基本力的粒子。

严格地说，基本粒子是不能再分解为任何组成部分的粒子。在这一定义下，只有夸克和轻子两种基本粒子。但是，虽然质子和中子由夸克组成，这两类重子都不可能分解为它们的夸克成分，因为独立的夸克是不能存在的。所以，尽管质子和中子以及其他重子由夸克组成，它们常被看成是基本粒子。

直到19世纪末，原子一直被认为是物质的基本建筑砌块。后来，英国粒子物理学先驱、剑桥卡文迪什实验室的约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph

Joh

Thomso

，1856—1944)，发现原子产生的一种辐射能够用原子自身分裂出来的带电微粒流来解释，知道这种带电微粒就是电子

。

既然电子带负电荷

，而原子呈电中性，很明显，原子内部必然有另外的带正电荷的粒子，以抵消电子的负电荷。20世纪初叶，工作于曼彻斯特的新西兰裔物理学家欧内斯特·卢瑟福(E

est

Ruthe

fo

d，1871—1937)

(后来继汤姆孙任卡文迪什

实验室主任)证明，这一正电荷与原子的大部分质量一起，都集中在很小的中心核内。

起初人们认为，原子核是电子与荷正电的质子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什实验室工作的詹姆斯·查特威克(James

Chadwick，1891—1937)才发现了不带电的质量几乎与质子一样的中子。于是原子核被解释成由强核相互作用，或强力，维持在一起的质子和中子的集合。

那时，这三种粒子——电子、质子和中子

——似乎是构成一切物质的仅有基本粒子，但宇宙射线研究和粒子加速器中高能粒子束互相轰击的实验却表明，还存在其他类型‘亚原子’粒子；不过这些‘新’粒子是不稳定的，它们将迅速‘衰变’成其他粒子簇射，以我们熟悉的电子、质子和中子告终。

重要的是应该懂得，这些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轰击的粒子(如质子)的‘内部’；它们是从注入加速器的能量中，按照阿尔伯特`爱因斯坦的公式

(或者，在所讨论的情况下，更恰当的是)创造出来的。

然而，在它们的短暂寿命期间，它们是具备质量和电荷等特征的真正粒子。这样的粒子，应该曾经在大爆炸的高能条件下大量出现。

物理学家不知道如何将这些粒子纳入一个圆满的物理理论，他们试图解释这些粒子之间基本力的作用方式。他们这样做时，仿效光子携有带电粒子之间的电磁力，想借助另一类携带着力的粒子——介子。但介子又是用什么东西制造的呢？

1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克qua

k。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受

。

有一段时期，局面极其混乱。但1960和1970年代发展的夸克理论使局面趋于明朗。夸克理论认为，所有已知粒子可以分成两族。一族由夸克组成，能够‘感知’只在夸克之间起作用的强力，叫做强子。另一族叫做轻子，它们不能感知强力，但参与以所谓的弱力做媒介的相互作用(或称弱相互作用)，比如，放射衰变(包括β衰变)过程就是弱相互作用引起的。强子既能参与强相互作用，也能感知弱力。

轻子是名副其实的基本粒子，它们不由任何别的东西构成。典范的轻子就是电子，电子与另一种叫做中微子(严格说应是电子中微子)的轻子相伴生。当电子参与放射衰变这类过程时，总有中微子卷入。

由于一些无人知晓的原因，这一基本图像已经复制了两次，产生了三‘代’轻子。除电子本身外，还有比较重的叫做μ介子，它们除了比电子重207倍外，完全像是电子；还有一种甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的质量接近质子的两倍。

这两种重电子各有其自己的中微子，所以轻子族有六种(三对)粒子。虽然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或从宇宙线产生，但它们很快衰变，转化成电子或中微子。