物质的本质

其实“物质的本质”和“物质如何产生这两个问题”是可以看成是一个问题。如今关于宇宙起源的主流理论就是宇宙大爆炸。而支持它的证据主要有如下三个:

  1. 星系红移;
  2. 氦元素丰度;
  3. 宇宙微波背景辐射;

客观地说,关于宇宙,科学家知道得很多,但正是因为科学家知道得比原来多得多,因此,科学家发现自己不知道得更多。确实,我们不可能也没有办法打包票说:宇宙的起源就是这样,但是目前的大爆炸模型已经和现实拟合得非常完美。因此,我们姑且把宇宙大爆炸看成就是事实。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(1)

那么,其实很多人就会有疑问了,宇宙起源于奇点,奇点有三个特点:

  1. 温度无限高;
  2. 密度无限大;
  3. 曲率无限大;

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(2)

然后奇点发生大爆炸,宇宙空间急剧膨胀。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(3)

这爆炸过程中,其实一开始,宇宙当中主要是以“纯能量”为主,并没有物质。那后来宇宙中的物质到底是咋来的?

这确实是一个很好的问题。那这个问题到底是咋回事呢?

其实,我们要从物质的本质(本源)出发,关于物质到底是由什么构成的,从科学萌芽开始就伴随着整个科学的发展。除了从“形而上”的角度去思考“物质的本质”,学者还找到了一条“寻找构成物质的最小组成单位”的角度去探求“物质的本质”,而科学其实就是沿着这一条路在前进,上个世纪,科学家通过加速器找到了100多种粒子,

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(4)

后来,到了上世纪50~70年代,杨振宁、温伯格、希格斯、费曼、盖尔曼等众多世界顶级科学家的一起努力下,在狭义相对论量子力学的基础上,科学家得到了粒子物理标准模型。在这个模型中,他们把基本粒子分为:费米子玻色子

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(5)

费米子可以理解成构成万物的基本粒子,也就是说,如果你有一把神砍刀,然后你把物质一直对半砍,砍到最后的结果就是这类基本粒子,再往下砍都砍不动。这些费米子就包括了:6味夸克以及它们的反粒子,电子和电子中微子以及它们的反粒子,μ子和μ子中微子以及它们的反粒子,τ子和τ子中微子以及它们的反粒子。

(这里补充一下,质子和中子并不是基本粒子,因为它门还可以再分成夸克)

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(6)

玻色子可以理解成传递相互作用的基本粒子,我们都知道自然界中存在四大作用,强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用以及引力。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(7)

科学家通过实验和理论的结合发现,在众多波色子中,

  1. 胶子和介子传递强相互作用;
  2. Z玻色子和W玻色子传递弱相互作用;
  3. 光子传递电磁相互作用。
  4. 希格斯玻色子赋予各种粒子质量。

至于引力并没有统一到粒子物理标准模型当中。也就是说,如果我们要问物质的本质是什么,那按照目前的理论来说,就是费米子和玻色子的集合

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(8)

而关于物质是如何产生的,其实本质上,我们可以理解成这些物质粒子是如何产生的

物质粒子是如何产生的?

我们可以先直接给出答案,这些物质粒子是撞出来的

宇宙大爆炸初期,温度超级高,当时确实是“纯能量”的环境。在这样的环境下,有大量的光子。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(9)

辐射的两个量子或者说光子,是有可能会发生碰撞并消失的。它的能量和动量会产生两个或者多个物质粒子。口说无凭,很多理论还是要靠实验。事实上,科学家也确实是在高能物理实验室中间接地观测到了整个过程。

那为什么会出现这样的事情呢?

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,质量里还有能量能量里还有质量,因此,处于静止状态的物质粒子也存在“静止能量”,我们可以通过质能方程E=mc^2计算得到物质粒子的“静止能量”。也就是说,能量和质量其实是一回事,它们的对应关系是E=mc^2。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(10)

当两个光子正面对撞时,两个光子如果要产生质量为m的两个物质粒子,那就得保证每个光子的能量必须大于或者等于每个物质粒子的“静止能量”(在这里就是mc^2),多余的部分其实会提高物质粒子的速度。如果光子能量不够,那就不会发生产生物质粒子。

那到底需要什么样条件才能获得足够能量的光子呢?

我们可以拿电子来举例子,电子的“静止能量”是0.511MeV,也就是说光子至少也要达到这个能量才有可能产生电子。

科学家通过计算就发现,在阈值温度为60亿度时,光子就有很大的可能性获得这个能量,所以,如果宇宙大爆炸初期能够达到这个温度,实际上就能产生电子。

上文也说到了,宇宙起源于奇点的大爆炸,而奇点的温度就是无限高的,从大爆炸开始,达到60亿度并不要什么难事,因此,在宇宙大爆炸初期物质粒子就已经开始形成了,而主要的方式就是光子对撞。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(11)

不仅电子可以通过这样的方式,实际上,中微子,μ子,介子等也都可以,下面就是不同粒子对应的静止能量和阈值温度。

物质结构图如何得到的(物质是如何产生的)(12)

关于“物质的本质”和“物质是怎么产生的”,我们就说到这里。

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