走进微观世界

认识基本粒子（下集）

（清风科普于2023年1月25日）

13.费米子：fermion

（1）费米子概念：

①基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料。费米子是象电子一样的粒子。自旋为半奇数（1/2，3/2，5/2，7/2…）的粒子统称为费米子。

②费米子服从费米-狄拉克统计，满足泡利不相容原理，在由费米子组成的系统中，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中。

（2）费米子种类：

①轻子，核子和超子：自旋都是1/2，因此都是费米子。

②共振粒子：自旋为3/2，5/2，7/2等的共振粒子，也是费米子。

③夸克：费米子共有12 种夸克。包括上 (u)、下 (d)、奇 (s)、粲 (c)、底 (b)、顶 (t) ，共6种夸克，再加上相对应的 6 种反夸克。中子和质子都是由3个夸克组成，自旋为1/2，所以也是费米子。

④轻子：费米子共有12 种轻子。包括电子 (e)、渺子 (μ)、陶子 (τ)、中微子νe、中微子νμ、中微子ντ，共6种轻子，再加上相对应的3种反粒子和3 种反中微子。

14.玻色子：boson

①玻色子：是像光子一样的粒子。有整数自旋（如0，1，2等）。玻色子不遵守泡利不相容原理，多个全同玻色子可以同时处于同一个量子态，所以玻色子能够具有相同的特性。

②基本玻色子：是传递相互作用力的粒子。如光子、介子、胶子、W和Z玻色子，都是玻色子。其中胶子传递强相互作用，光子传递电磁相互作用，W和Z玻色子传递弱相互作用，介子是由一个正夸克和一个反夸克组成的强子，常见的有π、ρ、K等。传递引力相互作用的引力子，传递基本粒子质量的希格斯粒子，也是玻色子。

③复合玻色子：由偶数个费米子组成，常见的有介子、氘核、氦-4等。按照自旋和宇称量子数，可以分成标量、赝标量、矢量和轴矢量粒子等。

④物质六态：即气态、液态、固态、等离子体态、玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。

15.量子：quantum

①量子：

如果认知现代物理量存在着最小的不可分割的基本单位，那么我们把这个量子化的最小单位称为量子。每个量子的能量E=hν。

②黑体辐射：

1900年普朗克提出，假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，就能很好地解释黑体辐射的实验现象。

③普朗克常数：

h=6.626×10⁻³⁴J·s（焦.秒）

能量E、辐射频率f及温度T可写成：

E=hf/（e^hf/kT）-1

h是普朗克常数，k是玻尔兹曼常数。基础能量的量子是hf。

④量子力学：

自从普朗克提出量子以来，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善，在20世纪的早期，初步建立了完整的量子力学理论。

⑤量子纠缠：

假设一个复合系统是由两个子系统a、b所组成，这两个子系统a、b的希尔伯特空间分别为Ha和Hb，则复合系统的希尔伯特空间Hab为张量积。两个子系统a、b相互纠缠。即 Hab = Ha × Hb。

2017年6月16日，中国量子科学实验卫星墨子号首先成功实现两个量子纠缠，光子被分发到相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。

⑥量子纠缠衍生：量子密钥分发、密集编码、量子隐形传态应用、量子算法。

16.等离子体：plasma

①等离子体：又叫电浆。有电子被剥离后的原子核，如核裂变和核聚变；有原子团被电离后的正负离子，如电镀和蚀刻技术；或离子化的气体，如云层中的打雷闪电。

②等离子体动力学：等离子体占宇宙中物质总量的99%↑，如恒星(太阳)、星际物质、地球的电离层等，都是等离子体。为了研究等离子体的产生和性质，近40年来形成了磁流体力学和等离子体动力学。

17.希格斯粒子：Higgs boson

①希格斯粒子：是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子（有异议），不带电荷和色荷，表现极不稳定，生成后又立马衰变。基本粒子因希格斯机制而获得质量，希格斯粒子被称为上帝粒子。

②希格斯预言：1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并预言了希格斯玻色子的存在。在希格斯机制中，希格斯场引发自发对称性破缺。费米子因希格斯场的量子化激发而获得质量。

③希格斯机制：根据希格斯机制，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。如果希格斯玻色子被证实存在，则希格斯场必然也存在，则希格斯机制提供费米子质量也无误。现在希格斯玻色子已被实验证实真实存在。

18.弦理论：string theory

①弦论：认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状基本粒子。如果我们有更高精密度的实验，也许会发现基本粒子其实是一条线。这条线，或许是一条线段，称“开弦”；或是一个循环，称“闭弦”。弦可以振动，而不同的振动态，会在精密度不佳时被误认为是粒子。各个振动态的性质，对应到不同粒子的性质。例如，弦的不同振动能量，会被误认为不同粒子的质量。

②弦论优点：量子场论的计算中，总是出现一些无限大的量。于是量子场论需要 “重整化〞。但我们相信，这无限大的量之所以会出现，是因为量子场论不是最基本的理论，而是精确度较差的等效理论。一个合理的物理定律，不应该有无限大的量，也不需要重整化。如果追溯量子场论中出现无限大的原因，则发现与它假设了粒子是不具大小的点有关。弦论中即没有这种无限大的问题。

③弦论总是有一个振动态，来对应到重力子的性质。使爱因斯坦的广义相对论，已经可以从弦论中被推导出来。弦论使爱因斯坦相对论与量子力学不再悖论。

④弦论预测：时空的维数是10维。而经验告诉我们时空只有4维。这多出的6维缩得很小，所以没被观测到。另一个可能，是由于我们生活在一个4维的孤立子上。m理论认为时空是11维的。

19.黑洞奇点：

Black Hole singularity

①黑洞视界：不等于黑洞实体。所谓的宇宙黑洞，是指黑洞视界。黑洞的实体准确来说是位于黑洞视界中心的奇点。

②黑洞奇点：是由中心的一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小，温度无限大的奇点所构成的实体（奇点）。因实体的时空维度无限地趋于0，导致奇点体积相当于基本粒子大小，甚至比基本粒子还小。

20.暗物质粒子：

dark substance

①暗物质粒子威力很大很大。

暗物质粒子蕴含的能量相当于100万吨级TNT的爆炸当量（供参考：广岛铀弹爆炸当量，相当于1.3万吨TNT当量；而长崎钚弹爆炸，相当于2.1万吨TNT当量）。所以这样的暗物质粒子更象是微小黑洞奇点，体积极小，质量极大，能量极高。不过暗物质粒子，又没有达到黑洞奇点无限小的级别，但又远远小于中子星体积的级别，而且物质结构相当稳定，不因为喷射粒子流而消耗殆尽。微小黑洞的奇点，因引力太小，不足以束缚住高速涡旋自转而产生电磁场效应，于是奇点能量会发生伽玛射线流井喷（霍金黑洞理论）。

②暗物质粒子极小极小。

这百万吨级TNT当量的暗物质粒子，其体积甚至相当于电子和光子体积，所以我们也把它当作微观粒子来讨论。电子和光子直径是10⁻¹⁸m，暗物质粒子体积也是这级别。但黑洞奇点比这更小，时空维度无限趋于0，普朗克尺度极限是10⁻³⁵m，如果更小在物理学上毫无意义。

也就是说，暗物质粒子体积仍然比黑洞奇点大17个数量级。这是个什么概念？那可是巨大的天文单位。假设一个超大质量黑洞奇点体积无限趋于0，已经压缩到普朗克尺度极限10⁻³⁵米。现在把这质点放大成直径为1米的铁球；那么电子和光子（还有暗物质粒子），也按17个数量级的比例放大，换算后其直径会达到10光年。

我们知道最近的比邻星距离太阳是4.2光年，最亮的天狼星距离太阳是8.6光年。而暗物质粒子的直径，按17个数量级放大后，会超出太阳到天狼星的实际距离。这个距离让光速来跑也要10年，而且光速每秒跑30万公里。

如果用弦论来理解，这是不合理的。因为一个合理的物理定律，不应该有无限大或无限小的量。但奇点体积不压缩到无限小，温度就不可能提升到普朗克的极限高温，那么宇宙就不可能爆炸，于是大爆炸理论就被推翻了。

③暗物质粒子不带电荷。

暗物质粒子不与电子发生耦合作用。暗物质粒子能穿越电磁波、电磁场和引力场，是宇宙的重要组成物质。

④暗物质粒子不与普通物质碰撞。

数亿个暗物质粒子穿越地球时，只有一个暗物质粒子会与地球上的物质发生反应。这导致我们无法直接观测到暗物质，只能依靠暗物质干扰星体光波弯曲或引力透镜才被感受到。

⑤发现暗星系：

美国天文学家发现距离地球200万光年处有一个暗星系。其由气态氢和宇宙微粒组成的黑色云团。这云团以难以置信的极高速度而自转运动。如果没有星系中心超强大的引力来维护的话，如此高速自转所产生的强大离心力，足以把云团肢解成一片乌有，就象天空中一片乌云，因缺少强大的核心凝聚力，在阳光照射下，很快就飘散开了。于是研究人员通过引力计算后逻辑思维评估：云团中心至少含有80%↑的暗物质，来维护该星团不至于分崩离析而解体。暗物质在维护星系物质有序运动方面，显然扮演着法力无边的上帝角色。

⑥太阳暗物质：

近代研究人员认为太阳核心区域也可能混合存在着相当数量的暗物质粒子，它们在太阳内部不断地干扰或吸收掉相当部分核能量。就象让黄泥土（暗物质）和煤炭粉（氢燃料）混合烧红砖（核聚变）的道理，使太阳中心温度不至于快速无限飚升，而发生氢弹式聚核反应大爆炸导致太阳解体。暗物质在维护太阳稳定核燃烧100亿年中，可能也在扮演法力无边的上帝角色。

21.反物质：anti matter

①我们的大千世界都是正物质，没有反物质。但在高能粒子迥旋器撞击中，会产生出正反物质。例如产生负电子同时，会产生等量正电子；产生正质子同时，会产生等量负质子；产生中微子同时，会产生等量反中微子。

②这给我们一个启示：宇称应该是守恒的，有多少正物质产生，必然有多少反物质产生。然而宇宙大爆炸，为我们炸出一个正物质的大千世界，却没有看到一个反物质的缤纷世界。因为构成物质世界的原子核中，所有电子都带负电荷，所有质子都带正电荷。实事告诉我们宇称是不守恒的。我们生活的世界里，正物质极多极多，反物质极少极少。

③反物质极少极少，但不等于完全没有。1997年4月，美国天文学家宣布他们利用伽马射线探测卫星发现，在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质形成了一个高达2940光年的 “反物质喷泉”。正反物质碰撞就湮灭，并释放巨大的能量。研究后还认为在3000万光年的范围内没有反物质天体。

④反物质是正常物质的反状态。

当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。能量释放率要远高于氢弹爆炸。 在丹·布朗的小说《天使与魔鬼》里，恐怖分子企图从欧洲核子中心盗取0.25克反物质，欲炸毁整座梵蒂冈城。

实际上1克反物质与1克正物质碰撞湮灭，所释放的能量通过公式计算应该是1.8×10¹⁴焦耳的能量，不可能毁灭地球。理论计算每500克的反物质爆炸当量，会超过大伊万炸弹之王（即俄沙皇氢弹）的爆炸威力（相当于5000万吨TNT爆炸当量），但也不致于毁灭整个地球。

⑤捕获反氢原子：

2010年11月欧洲核子研究中心的科研人员，首次捕获成功38个反氢原子，利用磁场作“陷阱”，持续时间为0.17秒。这微量反物质粒子，也只能维持100瓦灯泡发光1/20亿秒，更别说有多少可观的爆炸威力？ 欧洲核子研究中心的科研人员在2011年6月5日在英国《自然·物理》杂志上报告说，他们成功地将反氢原子“抓住”长达16分钟，这有利于对反物质性质进行精确研究。先后用磁场陷阱抓住了112个反氢原子。如果能让反物质原子在基态存在10分钟到30分钟，就可以满足大多数实验的需要。

⑥反物质宇宙：

反物质是正常物质的反状态。当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。正反电子和正反质子，电量相等但电性相反。科学家设想在正物质宇宙外面，可能存在着质量相等而物质相反的反物质宇宙，使宇称守恒。唯有能够让正、反两个宇宙同时存在的前提条件，只能是宇宙大爆炸。如果反物质宇宙真实存在的话，哪么它又会躲在什么地方呢？。正反物质的不对称疑难，是现代物理学界所面临的最大挑战？