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物质源头揭秘:原子的奥秘

时间:2023-08-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:早在两千多年前,古希腊学者就提出物质是由许多微小、不可分割的颗粒构成的,这种颗粒就称为原子,它无处不在。图3-10位于欧洲的大型强子对撞机(局部)欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界地侏罗山地下 100 米深处,总长 17 英里的隧道内,正是对撞机发现了希格斯粒子希格斯玻色子的存在。

物质源头揭秘:原子的奥秘

早在两千多年前,古希腊学者就提出物质是由许多微小、不可分割的颗粒构成的,这种颗粒就称为原子,它无处不在。我们手上的这本书、窗外的绿茵、天空的飞鸟……自然界的一切都可以微缩到原子。随着近现代科学的发展,科学家们对这个肉眼看不见的、神奇的粒子充满了好奇,它究竟长什么样子呢?科学家们运用博学的知识和丰富的想象展开了一场长达几个世纪的讨论和研究,在这个过程中,科学家们呈现出了形象的粒子模型,将假设表达出来。虽然有的模型后来被证明是不科学的,但科学家们锲而不舍追求真理的精神令人感动。

图3-7 原子模型图

古希腊哲学家德谟克利特提出宇宙之中除了原子核和虚空别无他物,原子是永恒的、不变的、不可再分的。虽然这只是一种理论假说,但它试图赋予混乱的世界一种宁静的秩序。从那以后,人们一直都在探索原子的结构,提出了不同的原子结构模型,从道尔顿的实心小球模型到约瑟夫·汤姆逊的梅子布丁模型,从卢瑟福的有核太阳系模型到玻尔的量子化轨道模型,再到原子的电子云模型。这些不断变得精确的模型,既是物理定律的修正完善,也是人类对自然界认识逐渐加深的过程。这些模型都拥有非常贴切的名字,每个模型都可以用生动的图像表达出来,不仅精美绝伦, 而且精确到位。在这一点上,将科学家比作艺术家一点也不为过。

科学是永无止境的探索过程,随着认识的深入,人们发现原子不再是组成世间万物的最小的、不可分割的单位了,电子、质子、中子、夸克等更为微小的粒子相继被发现。夸克组成了中子和质子,中子、质子和电子又组成了原子,原子又按照一定的结构组成了万事万物,但这并不是终点……

图3-8 H 双重子(想象图)一种假想粒子,由 6 颗夸克组成。(www.zuozong.com)

图3-9 希格斯粒子(想象图)

可以预见的是,未来粒子的种类必然越来越多,越来越复杂, 但这些并不是杂乱无章的,而是井然有序的,它们之间总有一定的关系。仿若一场宏大的音乐会,音符间的排列组合构成了或激昂、或悲怆、或优雅的乐曲,无论其表现形式如何多样,音符却始终还是那些音符。科学家不断探索着组成万物的基本音符。他们是伟大的“作曲家”,在细节与整体之间切换,在渺小与伟大之间穿梭,实在叫人惊叹不已。

图3-10 位于欧洲的大型强子对撞机(局部)

欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界地侏罗山地下 100 米深处,总长 17 英里(1 英里≈1.61 千米)(含环形隧道)的隧道内,正是对撞机发现了希格斯粒子希格斯玻色子的存在。这个庞然大物承载了几代科学家的梦想,科学家们有机会通过它揭开暗物质、超对称和平行宇宙的神秘面纱。

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