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物质是无限可分,还是存在最小组分?

(2018-02-28 14:23:09)
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杂谈

1995年2月28日,美探测到宇宙最基本构成材料之一的基本粒子“项夸克”。现在,就来看看物质是不是无限可分!

千百年来,人类一直在探索这样的问题:我们周围的物质,从天上的星球到海边的沙粒,究竟是由什么组成的?如果我们将物质不断地往小里分,将会出现什么情况?它们是无限可分,还是存在最小组分?若是后者,物质的最小组分又是什么?

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远古时期,不同派别的哲学家对这个问题作出了不同的回答。古希腊哲学家德谟克利特认为,物质是由许多微小的、不可分割的单个颗粒组成的,他把这种颗粒称为“原子”,并认为这些“原子”是永恒的、不变的和不可穿透的;物质的多样性是因为原子的形式、状态或结合方式不同造成的。另一位古希腊哲学家柏拉图却认为,把物质一次又一次地往小里分,最终遇到的将是数学形式——“正多面体”。这些“正多面体”本身不是物质,但是它们构成物质。这两种观念:一是说物质由实体颗粒——“原子”组成,具有不连续结构;一是说物质由数学形式——“正多面体”组成,具有连续结构,两者形成了鲜明的对比。但是,在2000多年后,却都得到了科学的验证。1808年,英国科学家道尔顿根据他所发现的倍比定律提出了原子论的科学假说,成功地解释了许多化学现象。以常见的水的分子为例,它就是由两个氢原子和一个氧原子组成的。但是,物质的晶体结构又确实是由 “正多面体”组成的,这似乎又证实了柏拉图的预言,只不过后来实验发现这些“正多面体”也是由道尔顿的“原子”构成的。那么,这些原子是否“永恒不变”、“不可分割”呢?在道尔顿提出原子的科学假说之后,这个问题仍困扰科学家近百年,直到19世纪末, X射线、天然放射性和电子的先后发现才使人们认识到,原子也不是物质的最小组分。

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1911年,英国物理学家卢瑟福和他的两名学生盖格和马斯登通过阿尔法粒子散射实验发现原子的中心有一个带正电的核。与原子相比,核很小,其直径约为原子直径的万分之一,但几乎集中了原子的全部质量。由于早在1897年汤姆孙就发现了电子,于是人们知道,原子是由电子和核组成的。1919年,卢瑟福用阿尔法粒子轰击氮核,从中打出了氢核,从而证明氢核是所有原子核的基本组分,并将其命名为“质子”。这样,氢原子便是由一个电子和一个质子组成的。由于电子带有一个单位的负电荷,而氢原子是中性的,因此质子应该带有一个单位的正电荷。类似地,氧原子的质量约为氢原子的16倍,也就是说,氧核的质量约为氢核的16倍,因此氧核里应该包含16个质子,可是化学家早就知道,氧原子里只有8个电子,氧核也只能带有8个单位的正电荷,换句话说,氧核里应该只有8个质子,那么氧核的另一半质量是从哪里来的呢?1932年,英国物理学家查德威克用阿尔法粒子轰击铍核,从中打出了一个质量与质子相当的中性粒子,将其命名为“中子”。随后,海森伯和伊凡宁柯分别指出,原子核是由质子和中子组成的,从而解决了上述难题。既然科学家已经从原子核里打出了质子和中子,证明了原子核也不是“不可分割的”,那么,质子、中子和电子是否还能往小里分呢?

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第二次世界大战之后,科学家陆续发现了数百种亚原子粒子:有性质与电子雷同但质量却为其数百倍的μ子;有质量介于电子和质子之间的π介子和K介子;有与质子和中子一样在强相互作用下保持稳定的Λ超子。于是,科学家试图仿照元素周期表来为这数百种粒子分类:将既参与强相互作用又参与电磁和弱相互作用的质子、中子、π介子、K介子和Λ超子,以及比它们更重的粒子统称为强子;将不参与强相互作用只参与电磁和弱相互作用的电子、缪子和后来发现的中微子和陶子统称为轻子。1964年,盖尔曼和茨韦格分别独立地提出了夸克模型,认为所有强子都是由夸克构成的,例如,质子是由3个夸克组成的;π介子是由一对正、反夸克组成的。随后不久,实验物理学家便发现了夸克模型预言存在的Ω粒子,从而验证了夸克模型。但是,理论认为,夸克被囚禁在强子内部,实验根本无法观察到单个夸克。事实也确实如此。强子的夸克结构也具有对称性,即所谓SU(3)对称性,正如柏拉图所说的“数学形式”,它们正是通过SU(3)对称性来构成质子、中子和π介子乃至所有物质的。于是,科学家和哲学家再次为康德悖论所困扰:一方面,人们可以将周围的物质分割为分子、原子,将原子分割为原子核和电子,将原子核分割为质子、中子……似乎物质可以这样永无止境地分割下去;另一方面,实验上确实无法把夸克从强子中“分割”出来,又使人们不得不怀疑:物质是否无限可分?

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从德谟克利特提出原子“不可分割”到三大实验发现“打破”原子,经过了2000多年,就是从道尔顿提出原子的科学假说算起,也经过了近百年,而盖尔曼和茨韦格提出夸克模型至今还不到50年,现在就说“敲不出夸克”“物质不再可分”,似乎为时尚早。到目前为止,实验上用万亿电子伏量级的高能粒子能够探测到的最小空间尺度为10?18米,在这种情况下,仍然未能发现夸克和轻子具有内部结构,而理论上预言的空间最小尺度为10?35米,也就是说,科学家即使能将夸克和轻子往小里分,也还会再经历许多“阶梯”。也许,在可以预见的未来,科学家对物质结构的认识仍将重复连续—不连续的循环,哲学家仍将为物质“可分”与“不可分”而争论不休。

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