7.物质的结构

定 义：从原子到基本粒子，这些通过基本力相互作用的物质的本质。

发现历史：1897年，首次发现亚原子粒子，它被命名为电子。

关键突破：1964年，默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）提出存在被称为夸克（quark）的基本粒子。

重要意义：了解物质的深层结构有助于天文学家解释宇宙中横跨巨大范围的大尺度和小尺度过程。

 

一个多世纪以来，漫长的通往原子中心的科学旅程揭示了宇宙中所有物质的精妙结构，少数亚原子粒子通过四种基本力相互作用，使得它们具有共同的基本属性。

早在公元前4世纪，希腊哲学家德谟克利特（Democritus）就首次猜测所有物质可能都是由微小粒子组成的，但是这些关于原子的猜测在18世纪和19世纪的一系列科学突破之后才变得清晰和现实。到了19世纪60年代，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）设计了一套巧妙的系统，根据质量和化学性质对不同元素进行排序——这就是元素周期表。

原子内部

直到发现了原子内部的粒子，科学家们才开始理解为什么不同的元素会以它们特有的方式发生反应。这些亚原子粒子中第一个被发现的是电子，于1897年由英国物理学家汤姆森（J. J. Thomson）发现。电子这种低质量粒子携带负电荷，汤姆森在加热电极发出的阴极射线中发现了它。人们很快就发现，某种原子所具有的电子数量是其化学反应的关键——交换或者共享电子可以产生化学键，而单个原子添加或减少电子可以产生带电离子。

因为电子携带负电荷，而原子总体上是电中性的，所以接下来的问题便是原子的正电荷位于何方。汤姆森的“梅子布丁”模型在一段时期内曾占据了首要地位，该模型认为电子自由漂浮于均匀分散的正电荷中。在1909年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，译注：当时新西兰是大英帝国的一部分）和他的同事们向一块薄薄的金箔发射了放射性粒子。卢瑟福的实验结果表明，虽然大多数粒子直接穿过金箔，但偶尔也会有粒子直接反弹回来。这说明原子中基本都是空旷的空间，其大部分质量和正电荷聚集在原子中心的原子核里，电子则绕着原子核运行。到了1932年，人们已经知道原子核是由质子（每个质子具有和电子大小相等但电性相反的电荷，从而使整个原子呈现出电中性）和中子（与质子具有几乎相同质量的不带电粒子，数量通常和质子差不多）组成的。

与此同时，1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）将电磁辐射以光子的形式传播的新观点应用于原子结构问题，结果表明如果电子占据了距离原子核一定距离处的特定壳状“轨道”，就可以解释每个元素独特的发射和吸收光谱。因此，原子内每个电子都具有特定的能级：通过特定波长的光子注入能量可以将电子提升到更高的“轨道”，反之，电子下降到较低的轨道将释放能量产生特定波长的光子。1925年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）通过不相容原理解释了电子轨道的起源，该原理认为同一系统中不存在具有相同量子特性的电子。

“所有已知的强子最终都可以通过6种‘味’的夸克组合而成，除此之外还有轻子，轻子正好也有6种。夸克和轻子是组成物质的基本粒子，它们都属于费米子。”

理解粒子动物园

20世纪三四十年代，第二次世界大战和利用原子能的竞赛加速了关于原子结构的研究。对原子结构的研究来说，最重要的工具是粒子加速器——它是一种实验装置，可以用电磁场将原子和其他粒子加速到极高的速度，然后让粒子之间相互碰撞，并测量由此释放出来的新粒子。这些新粒子并不都是常见的传统意义上的物质粒子——根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，粒子碰撞释放出的能量可以直接转换成其他一些罕见的粒子。结果便是已知的亚原子粒子的数量成倍地增长，产生了一个令人困惑的粒子“动物园”。

在这个“动物园”中，物理学家开始辨别受到不同基本力影响的粒子。似乎所有的粒子都受到电磁力和（在很小的程度上）引力的影响，但也存在仅在亚原子距离上起作用的力：弱核力和强核力（译注：即弱相互作用和强相互作用，又称弱力和强力）。大质量的粒子被称为强子（包括质子和中子，译注：实际上，强子是指参与强相互作用的亚原子粒子，有些强子的质量和某些轻子差不多），强子受到所有四种力的影响，而小质量的轻子（如电子）则不受强相互作用力的影响。

直到20世纪60年代，事实才变得清晰起来。美国物理学家默里·盖尔曼等人证明，如果每个强子由2~3个被称为夸克的较小粒子组成，那么就可以解释各种强子的性质。所有已知的强子最终都可以通过6种“味”（上、下、奇、粲、顶、底）的夸克组合而成，除此之外还有轻子，轻子正好也有6种——电子、μ子、τ子及其相应的中微子。夸克和轻子是组成物质的基本粒子，它们都属于费米子。这些大质量粒子之间通过被称为玻色子的零质量媒介粒子来传递力，最有名的玻色子是光子，它是电磁力的媒介。其他玻色子包括传递强力的胶子，以及携带弱力的W粒子和Z粒子。

自20世纪60年代以来，这种物质和力的标准模型通过了很多考验，但是依然存在许多问题。理论学家们仍在努力解决难题，例如为什么不同的力有不同的作用方式、它们是否能够通过一个“万物理论”实现大统一，以及为什么基本粒子表现出不同的观测特征。与此同时，实验学家们则希望2008年在法国与瑞士的边境建成的大型强子对撞机（LHC）等加速器项目能够帮助他们发现理论学家所预测的难以捉摸的新粒子（编注：LHC已经建造完成，并于北京时间2008年9月10日下午15:30正式开始运作，是世界上最大的粒子加速器设施）。

原子结构示意图，显示了每个原子是如何由位于中心的质子和中子组成的原子核（中心）以及外围轨道壳中的电子组成的，电子轨道决定了它们的能量。原子核中的质子数决定了它的“原子序数”，从而确定了它是哪种元素，而质子和中子的数量之和决定了元素的原子质量。该图显示了碳12原子的结构，该原子具有6个质子、6个中子和6个电子。

 

计算机模拟显示了玻色‒爱因斯坦凝聚态（BEC）中的涡旋，玻色‒爱因斯坦凝聚态是一种物质状态，只能通过量子理论来解释。玻色‒爱因斯坦凝聚体形成于原子冷却到非常接近绝对零度时，此时的原子全部落入相同的量子能态，表现得好像一个个零摩擦的“超原子”。