什么东西粒子能干什么小的不可以通过而粒子能干什么大的能通过呢？？？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-10-19 05:25 标签： 粒子能干什么
在宇宙中，可直接观测的物质90%都是由原子构成，每个原子都由电子、最轻的带电轻子以及质子和中子组成的原子核组成。然而，在每一个质子和中子内部，都有夸克和胶子，夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在自由状态的夸克和胶子。为什么宇宙中不存在自由状态的夸克和胶子呢？它们又因为什么被囚禁？今天我们来聊一下。夸克和胶子是什么20世纪，经过了科学家的研究发现，宇宙间存在着四大相互作用，分别是强相互作用、弱相互作用、引力相互作用、电磁相互作用。我们在生活中所遇见的苹果落下、植物生长、物体的弹力、空气的阻力等等，都是四大相互作用的影响。粒子也是如此，粒子共分为两类，费米子和玻色子，费米子组成物质，玻色子传递相互作用，举一个简单的例子，就好像你看见两个人在玩游戏，但是你看不见他们手里拿的是什么？一个人作出抛东西的姿势，另一个人接住一个看不见的物体然后往后退。虽然你不能看到这颗东西，但你能知道一个人丢出物体给另一个人，因为你看到力作用在人身上的结果。看不见的物体就是费米子，而人就是玻色子，充当着信使的作用，传递着四大相互作用，科学家认为每一种相互作用都由一个专门的信使负责传递。强子这些属于复合粒子其中负责传递引力相互作用的是引力子；电磁相互作用的是光子；而弱相互作用的是W 及 Z 玻色子；强相互作用的就是胶子。我们知道电磁力作用于任何带电荷的粒子，会导致同电荷相斥和异电荷相吸。如果没有电磁力的作用，你就会落下穿过你自家的地板！多亏了电磁力，它使得由原子组成的物质包括你的脚和地板相互抵抗以免被转移。而引力作用于任何具有质量、能量或动量的物体上。至于弱相互作用则制约着放射性衰变。四大相互作用的功能相应的玻色子负责传递相应的相互作用，带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的。也就是说只有特定的信使才能完成这个任务。那胶子的作用是什么呢？这就要从夸克的发现说起了。在很长一段时间里，科学家都认为中子和质子不可再分，1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的，中文就是我们常说的夸克。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“向麦克老大三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。已经发现的所有重子（质子和中子都是属于重子）都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。截止目前为止，科学家共发现了12种味（(味指一种基本粒子的种类)夸克，包括上夸克 (u)、下夸克 (d)、奇夸克 (s)、粲夸克 (c)、底夸克 (b)、顶夸克 (t)，及它们对应的 6 种味反粒子。夸克还具有三种“色”的特性，色与粒子的电荷呈类比关系，分别是红、绿和蓝。夸克的“色”与视觉上的色彩无关，而仅仅是对于一种表现上几乎不超过原子核大小范围的性质的一项奇特名称。“色”这个词单纯是因为色的电荷有三种类形，类比于三原色，它形象地比喻夸克本身的一种物理属性。科学家认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此如果计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。那么夸克是如何组合在一起形成复合粒子的呢？就好像我们做房子一样，是什么让砖头紧紧黏合在一起呢？我们都知道是水泥。胶子就充当了水泥的功劳，众所周知，胶子是一种负责传递强力相互作用的玻色子。它们把夸克捆绑在一起，使之形成质子、中子及其他强子，所以，在每一个质子和中子内部，都有夸克和胶子，胶子是维持原子核稳定的重要一环。三个夸克(RGB)或三个反夸克(CMY)的组合是无色的，夸克和反夸克的适当组合也是无色的。维持这些实体稳定的胶子交换是相当复杂的，但任何带有净色电荷的物质都不应该在自然界中稳定存在。从一般人的角度来看，由于有三种色，故应有九种不同的胶子，色是专属于夸克与胶子的一种性质。由于“色”的存在和胶子的交换，这种强大的力使原子核结合在一起。胶子必须由一种颜色/反色的组合组成，这样才能使强力相互作用发挥它应有的作用。存在自由状态的夸克和胶子吗夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。也就是并不存在自由状态的夸克和胶子。但是宇宙间是存在过自由状态的夸克和胶子的，物理学家认为，在宇宙大爆炸后最初的10微秒内（即宇宙诞生），自由活动的夸克和胶子充满了整个宇宙时空，形成了一种新的物质相，名为“夸克-胶子等离子体”(QGP)，在这种状态下，粒子的温度和/或密度是如此之高，以至于无法分辨两者是处于互相自由的状态还是处于一种束缚态的开始。它们之间的相互作用比气体要强得多，整个物质的力学特性又有点像液体，所以科学家把它们叫“汤”。我们称之为「夸克-胶子等离子浓汤」。夸克胶子等离子体液滴膨胀扩展后形成的三种几何形状的可视化图形美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家。他们用巨型粒子对撞机对撞金元素离子，制造出了“超级大爆炸”。这场大爆炸只持续了几毫秒。但正是这几毫秒的爆炸，让他们制造出了有史以来实验室中的最高温度———4万亿摄氏度。这么高的温度足够熔化质子和中子，把物体变成一种叫「夸克-胶子等离子浓汤」。从而还原了宇宙大爆炸之后的几微秒时宇宙的状态，证实了在宇宙大爆炸后最初的10微秒内（即宇宙诞生），自由夸克和胶子充满了整个宇宙时空。普通的质子或中子，是由三个夸克粒子通过胶子结合在一起。当到达一个临界温度，质子和中子和其他形式的强子物质“熔化”形成一碗炙热密集的自由夸克胶子汤，也就是夸克- 胶子等离子体。虽然宇宙一开始完全充满了自由的、不受束缚的夸克和反夸克，但这种状态并没有持续很长时间。夸克迅速冷却，在胶子的作用下短时间内迅速形成强子，物质在“夸克汤”中积聚，最终形成现在的宇宙的。科学家曾经做过夸克星的假设，在一颗大质量中子星的核心内部，在达到质量阈值之前，它必须坍缩成黑洞，组成这颗恒星的单个中子可以达到如此高的密度，以至于它基本上变成了夸克-胶子等离子体。在某些情况下，它不仅仅是由光(上下)夸克构成，而且还有奇怪的夸克。然而，这种假设目前并没有办法得到验证。那么为什么夸克和胶子都无法单独存在呢？它们为何不能自由存在于宇宙当科学家尝试用对撞机撞开质子的时候，就遇到了一个难题，科学家发现质子中有个三不同的折射角，这其实意味着这当中有三个比质子更小的粒子存在，这就是夸克存在的证据。但是，无论我们用什么办法去撞质子，都没有办法找到这些自由状态下的更小的粒子。夸克被一种神秘的力量紧紧束缚在了质子内部，无法以自由状态存在，科学家称之为夸克禁闭。这和强力相互作用的性质有关，这种性质叫“渐近自由”， 我们需要知道，夸克也有电荷，这个力很简单：电荷越接近，力的强度就越大，电荷越大，它们所受的力就越大，相反符号的电荷相互吸引，而相同符号的电荷相互排斥。但是作用在颜色上的强力相互作用，在两个重要的方面是根本不同的。首先，有三种色的电荷：红色、绿色和蓝色，而不是一种电荷或两种电荷。第二，当颜色电荷相互接近时，力降为零；只有把它们分开时，力才会变得很大，这种现象就被称之为“渐近自由”（Asymptotic Freedom）。1973年，美国科学家格罗斯、波利茨、威尔茨克通过一个完善的数学模型说明：夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。反之，夸克之间距离越大，强作用力就越强。简单来说，就是在粒子之中，三个夸克可以自由自在地玩耍，强力对它们的影响微乎其微，但是它们一旦想要脱离粒子的束缚，踏出一定的范围，强力作用就会加强，将它们囚禁在粒子之中。在高能量下(对应于较小的距离)，强作用力的相互作用强度降为零。在很远的地方，它增长得很快。这一思想被称为“渐近自由”，它已被实验证实是非常精确的。这种现象也被称为之“色禁闭”（color confinement），因为带有颜色的夸克和胶子就像被囚禁在整体无色的“牢笼”里面。科学家曾经尝试过拿一个介子-夸克/反夸克的组合，介子是一种很奇妙的复合粒子，π+介子、π-介子都是由一个夸克和一个反夸克组成的，科学家试着把这两个夸克拉开。如果你能足够用力把它们分开，克服这个强大的力，也许你就能把这两个粒子扯开，并分离出带颜色的电荷和自由夸克，根据夸克“色禁闭原理”,正反夸克的颜色抵消了,即组成无色夸克对,从而使得介子处于稳定结构。但是在实践中却失败了。一旦你在试图把这两个粒子分开的过程中输入一定的能量，真空中就会自发地创造出一个反夸克/夸克对(通过爱因斯坦的E = mc^2)。在你试图把这些粒子拉开的过程中，科学家自发地创造了两个介子，而之前只有一个介子。当两个粒子被拉得太大，它就会从真空中产生一个新的(轻的)夸克/反夸克对，并在原来有一个介子的地方创造出两个介子。这不是创造自由夸克的成功方法。科学家由此发现，自由夸克和自由胶子如果要存在束缚态粒子之外，除非宇宙大爆炸，而且永远不会有一个在宇宙中持续存在自由的夸克（只能持续10微秒），因为“自由”所需要的能量足以产生新的粒子，而这些粒子将会自发地将自己限制在无色状态。在非常高的温度和密度下，有一个自由的，不受束缚的夸克-胶子等离子体。在较低的温度和密度下，有更稳定的强子：质子和中子。也就是说在宇宙之中，自由状态的夸克和胶子只存在于宇宙大爆炸的短短一瞬间。（10微秒内）

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