宇宙的组成

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宇宙由物质和力两部分组成。

Aristotle认为,宇宙由4种物质组成:土、水、火、空气,两种力是引力和是空气及火上升的浮力。他认为物质是连续的:物质是用远可分的,绝不会达到一颗微粒而不能再分。

Democritus认为,物质是由不可再分的原子(Atom意为不可再分)组成。1803年,英国化学家John Dalton提出分子理论,认为物质是由分子组成的,而分子是一些原子按固定比例组合而成的。

1905年,爱因斯坦指出,布朗运动(液体中的微粒的不规则运动)是液体原子碰撞微粒的结果。

1911年,Rutherford发现了原子核。最初以为,原子核是由带正电的质子(Proton, 希腊语,意为第一,认为是无质组成的基本单位)组成;但在1932年,Chadwick发现了中子,质量与质子几乎相同,但不带电。后来,Murray Gell-Mann在质子同其它质子的高速对撞实验中发现,质子是由更小的粒子组成的,称之为夸克(Quark);它有不同的种类,科学家们将其按风格(Flavors)和颜色分类:至少六种风格(上Up、下Down、底Bottom、顶Top、奇Strange、迷Charmed)每种风格又有三种颜色:红、绿、蓝(只是一种标识,因为夸克比可见光的波长要小得多,根本不可能看见其颜色)。一个质子由三个夸克组成,两个上,一个下,每种颜色一个;一个中子的三个夸克是两个下,一个上,不同颜色。

量子力学认为,所有粒子其实都是波,其波长越短,能量越大。粒子的能量以电子伏(Electron Volt)为单位;一个电子伏是一个电子从一伏的电场中所获取的能量,一个GeV(Giga-Electron Volts, 10^9 EV)的电子伏大约相当于一个质子的质量。在Rutherford的撞击实验中,Alpha粒子的能量高达几百万电子伏。后来发现,磁场可以给粒子加速:起初是几百万,然后是几亿电子伏。

粒子具有Spin(自旋)性质。Spin0的粒子像一个圆点,从各个方向看都是以样的;Spin1的粒子像个箭头,只有旋转360度后才一样;Spin2的粒子像个双箭头,旋转180度即重合; Spin1/2的粒子,需要旋转两圈后才重合。

Spin1/2 的粒子组成了宇宙中的所有物质,Spin012 的粒子形成了力。

力的形成过程是这样的:当一个物质粒子释放出一个带力粒子时,由于反冲使得物质粒子的速度改变;而带力粒子与另一个物质粒子碰撞并被吸收,也使得那个物质粒子的速度发生改变;这一过程就好像有一个力作用在两个物质粒子之间。

带力粒子不遵守排斥原则,因而交换的粒子数目没有限制,从而可以产生很强的力。如果带力粒子本身没有质量,力就可以远距离传播;如果带力粒子具有较高的质量,在远距离就不能交换。

根据力的强弱,带力粒子被分为4类。最弱的是引力。两个物质粒子之间的引力由Spin2的粒子(称为引力子,Graviton)携带,它本身没有质量。引力无处不在,但只在大距离时起作用;由于它是吸引性的,两个大物体内的所有粒子的引力可以累加成为很强的力。

第二类是电磁力,只对带电粒子起作用。它由Spin1的、无质量的光子(Photons)携带;当电子从一个高能级的轨道落到低能级的轨道时,一个光子被释放;当一个光子与原子碰撞时,光子被吸收,使一个电子升高一个能量级。对于小范围的原子,电磁力起主导作用;对于大范围的物体,正、负电荷的总量相等,互相抵消。

第三类是弱核力,作用于所有物质粒子,是物质具有放射性的原因。1967年,Abdus Salam Steven Weirberg 提出,除光子外,还有另外三种Spin1的粒子,是它们携带了弱核力。这三种粒子分别称为W+W-Z0,质量都是100GeV;有于质量大,所携带的力是短程的。这些粒子在高能量时,表现是一样的,弱核力与电磁力合为一体。三种粒子在1970s在高速粒子加速器中被检测到。

第四类为强核力,由另一种Spin1的粒子Gluon携带。这种粒子仅与自身和夸克相互作用;是它们把三个颜色不同的夸克串在一起,形成以个无色的组合。如此的三重组就构成了质子和中子;另一种组合是一个夸克和一个反夸克,形成不稳定的Mesons,产生出电子和其它粒子。大型粒子加速器表明,在高能状态下,强核力会变弱,高能中子与反中子相撞,会释放出自由的夸克。

1954年,英国物理学家Higgs提出了玻色子(Boson)理论,认为是这种粒子使得物质具有了质量,而引力把质量变为重量。2012年,科学家们发现了这种粒子存在的迹象。

现在的标准模型把粒子分为三大类:夸克、轻子、玻色子,一共62种基本粒子。Higgs玻色子是最后一种未被证实的粒子。然而,即使被证实,这也只是解释了4%的宇宙:0.4%的可见物质(恒星、星团、星云、星系)和3.6%的不透明物质(散布于星系之间的氢气)。

星团是星系的集合,因为引力而聚集在一起,各自独立地产生恒星。但是,按照已探明的总质量,引力并没有强大到足以使各星系维系在一起,而是早就该散开去了。因此,应该有其它看不见的物质来抵抗宇宙膨胀的推力。1920年,Jan Oort测量了恒星绕银河系旋转时,上下颠簸的幅度,发现并非如所计算的结果那么大,于是断言,应该存在比可见物质多50%的东西,其引力限制了恒星的运动。1970年,Vera Rubin研究了恒星绕星系的环绕速度与距离的关系;按照引力场的理论,恒星的速度应当随着到星系中央的距离增加而减少,但实际上,恒星的速度几乎不变化;他推断,看不见的物质质量是可见物质的20倍左右。

这些看不见的物质被称为暗物质(Dark Matter)。目前估计,暗物质占26%

占绝大部分的是暗能量,70% 它是一种随距离的增加而增长的力,只有当距离达到10亿光年时,才发生作用。正是暗能量的存在,才使得宇宙加速膨胀。然而,暗物质和暗能量究竟是什么,谁都无法检测到。这些只是理论上的推测而已。

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