如何用乐高搭建一个宇宙？ / 四六文摘

编者按：

粒子物理是怎么一回事？“上帝粒子”、夸克、“幽灵粒子”到底是什么？如果给你机会自己动手为粒子物理和宇宙建立模型，会不会对上述知识印象深刻？

那么，试着用乐高积木来描述组成物质世界的基本粒子吧！乐高当然不是粒子，但是它可以提供一个有趣又吸引人的类比，帮助人们理解那个微观世界。虽然这个类比并不能完美地描述自然，但是却能让我们用最小的比例了解宇宙的全景。

首先，我们来了解物质的构成和模型搭建的规则：我们周围的所有物质都是由化学元素构成的，每种物质都是由某一类独特的原子形成的。

1.1　原子

古希腊哲学家德谟克利特提出所有的物质都可以分成更小的微粒，直到终成为不能分的粒子。他把这种组成物质的最小单元称为原子，在古希腊语中，原子的意思是不可分。

德谟克利特的原子论一直延续到了18世纪，那时化学已经摆脱了点金术的阴影，开始成为一门主流科学。有证据表明，纯化学元素间以质量的整数比发生反应，可以产生新的化合物，例如，氧和氢以8：1的比例发生反应，可以生成水（注意，这里的比例指的是原子的总重量，而不是原子的个数）。

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’英国的约翰·道尔顿提出化学元素是由更小的微粒原子构成的，每种化学元素都是由不同类型的原子构成。直到18世纪末期，人们一直认为道尔顿的新原子论是正确的，但是后来出现了奇怪的放射现象，说明原子并不像它们名字代表的含义那样不可分，它们可以分成更小的微粒。

元素周期表

19世纪末期，科学家已经发现了100多种化学元素，每种都来自一类特殊的原子。就像音乐中增加八度一样，德米特里·门捷列夫将这些元素按照一定的规律放入周期表。元素周期表中具有相似性质的元素在一起，表示它们有一些共同的结构。但是，如果原子就像希腊语中“原子”的含义那样不可分，那么怎么会有更小的微粒呢？不久之后，科学家就发现了比最轻的氢原子还轻的微粒。这些出人意料的新“原子”可能是产生电现象的原因。

元素周期表第一行中的氢（H）和氦（He）在早期宇宙中大量存在，铁（Fe）之前的所有元素都是来自恒星，其他元素则是恒星死亡爆炸产生的。

下面我们将深入原子内部，探究构成每个原子的粒子。

1.2　原子内部

约翰·道尔顿的理论告诉我们，世界并不像古希腊理论说的那样，它不是由一种类型的原子构成的。之后对电子和放射性元素的研究表明道尔顿所说的原子也是由其他粒子构成的。只有理解了原子是由更小的粒子构成的，现代元素周期表才有意义。原子之所以有它们的原子量是因为内部有更小的粒子，而它们的反应则来自其他方面。

原子核

它位于每个原子的中心，是由原子核——质子和中子构成的。原子核是一些化学元素的放射源。

电子

它们是位于中心原子核周围的云。电子参与和影响元素的化学反应。原子中电子的数量决定了化学反应的周期性。

质子这个名字最早来源于希腊。中子之所以叫中子是因为它是电中性的。电子这样命名是因为它们是带电的原子。

核子

它并不是最终的微粒。它们是由更基本的名为夸克的粒子组成的。每个质子和中子都是由上夸克和下夸克组合而成的。

弦

虽然所有的实验结果表明电子和夸克是最小的粒子。它们不能再由其他微粒组成——它们似乎真的是最基本的粒子。然而，有一些理论认为它们可能是由一些更小的物质组成的，这个更小的物质被称为弦。

中微子和轻子：中微子和夸克以及电子一起完善了基本粒子。中微子是由β衰变产生的，中子衰变为一个质子和一个电子时，同时会伴随产生一个中微子。电子和中微子组合成了轻子。当时测得轻子比质子和中子轻，所以科学家就以希腊语“leptos”给它命名，意思是小的、微弱的或微妙的。

1.3　质量更大的复制粒子

构成质子和中子的上夸克和下夸克，以及电子和相关的中微子只是第1代基本的粒子，质量最小。出于某个未知的原因，自然中还包含了两组稍重的复制粒子，如这里用稍大的积木展示的第2代和第3代粒子。这些粒子只能在非常高的能量下产生，例如那些由粒子加速器生成的粒子，以及只有宇宙生成早期存在的粒子。

上面这12种粒子被称为费米子，是为了纪念意大利杰出的理论粒子物理学家恩里科·费米。

第一行是上型夸克，电荷 +2/3，粲夸克和顶夸克都比上夸克重一些，这三种粒子都有正电荷，但是电荷只有电子的2/3。

第二行是下型夸克，电荷 -1/3，奇夸克和底夸克比下夸克重一些，它们都是负电荷，电荷只有电子的1/3。

第三行是带电荷的轻子，电荷+2/3，缪子和陶子除了比电子稍重以外，特性都一样，这三种粒子都有电荷，习惯上标记为负，一般被认为是带电轻子。

第四行是中微子，电荷0，三种带电轻子都有相应的中微子，即电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，虽然还没有实验能测量它们的质量，但是我们已经知道它们不会像光子那样没有质量。

夸克和轻子稍重的复制粒子形成了物质的不稳定的奇异形态，它们生成的粒子越重，它们衰变成物质的更轻形态的速度越快。最终，所有的物质都会衰变，形成上夸克、下夸克、电子或中微子，这也是为什么第1代粒子可以组成宇宙中99.9%的可见物质。

搭建积木

随着研究的深入，无论对像化学元素一样的一般物质还是用粒子加速器生成和宇宙早期中有的奇异物质而言，分成3代的12种粒子似乎是形成所有物质的真正基础微粒。

费米子粒子的特殊之处在于，它们在原子内部像堆叠的乐高积木一样排列着，没有一个积木占有相同的空间。这样一来，原子中的电子具有不同的能量，会直接导致元素的不同的化学活性。由夸克构成的质子和中子同样拥有不同的能量，会导致原子核更稳定或更不稳定。这就是这些粒子如何结合在一起，并生成不同特性和大小的原子的原因。

下图由左至右依次表示这几种元素：氢、氦、锂、铍、硼。