物质的微观结构

人类对物质微观结构的研究经历了很长时间的艰苦努力,直到19世纪初才真正弄清了原子的内部构造。此后,经过一代又一代科学家的科学实验,对物质微观结构的认识从一个层次深入到另一个层次,却始终没有找到物质微观结构的最小单元。

中国古代的哲学家早就提出了世间万物都是由金、木、水、火、土五种物质构成的学说。古希腊的哲学家也提出了原子的概念,认为世间万物均由原子构成,原子是物质微观结构的最小单元。原子在希腊语中是“不可再分割”的意思。

古希腊哲学家的这一卓越的哲学思想,被近代的化学和物理的科学实验证实了。近代的科学实验表明,世间万物都是由分子、原子组成的。分子是保持物质化学性质的最小单元,而分子又是由一种或多种原子组成的,原子是化学元素的最小单元。现在已知的元素有一百多种。那么原子还有没有更深层次的结构呢?换句话说,原子还能不能再分割呢?

20世纪初,英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金属箔靶,发现原子中心有一个很小的核,电子在核外绕着核运动。原子的重量几乎完全集中在这个核上,这个核就是原子核。支配原子内电子与原子核相互作用的是电磁相互作用。原子分割为电子和原子核。那么,原子核能不能再分割呢?

20世纪30年代,中子首先被物理学家查德威克发现。中子不带电,但和质子(氢的原子核)有几乎相同的质量。此后不久,物理学家海森堡和伊凡宁柯分别独立地提出原子核是由质子和中子构成的设想。这一设想很快被实验证实。不同元素的原子核是由不同数目的质子和中子组成的,原子核内质子和中子靠强大的核力紧密地束缚在一起。质子、中子还能否再分呢?

1961年美国斯坦福大学的物理学家霍夫斯达特用高能电子轰击氢和氖核,来观察电子与质子或中子的弹性散射。实验结果表明,质子和中子都不是点粒子,这两种基本粒子都是可以再分的,它们仍有更深层次的内部结构。质子和中子等是由什么更小的粒子构成的呢?

随着加速器的建造成功,在实验室内又陆续发现了一系列新的基本粒子,如K介子、各种超子等,在宇宙线中也发现了新的基本粒子,总数达上百种。人们以为这些粒子是构成各种物质的基本单元,统称为“基本粒子”。基本之意即不可分也。那么,这上百种“基本粒子”是基本的吗?

在以后的几十年里,物理学家盖尔曼、丁肇中、里克特、莱德曼、格拉肖、温伯格和萨拉姆等不断地假设、验证、研究、探索,现在已经阐明,比“基本粒子”更深的层次是夸克和轻子。夸克和轻子能再分吗?

现代的高能加速器已可以把电子或质子加速到极高的能量,因而可以探测到更小的空间尺度。虽然目前还没有在实验上发现任何夸克和轻子内部结构的迹象,但根据以往的历史可以肯定,夸克和轻子也绝不可能是物质微观结构的最小单元,夸克和轻子必有更深层次的结构。有些理论物理学家已给夸克轻子下一层次的单元起名为“前子”或“亚夸克”。不管什么名字,其实体应当是存在的。我们相信,不久的将来能证实它们的存在。

人类对物质微观结构的研究走过了漫长的道路,对微观世界的认识是无穷无尽的,如图4.2所示。宇宙往小的方面延伸是无限的,物质是无限可分的。当前宇宙往大的方面延伸也是无限的。近代天文观测已经证实了这一点,宇宙不论往大、往小都是不可穷尽的。

图4.2　物质微观结构