【球盟会】原子，原子核电子，质子中子，夸克，弦

摘要

大约在两千五百年前，古希腊人留基伯提出了原子论，而后他的学生德谟克里特发展并完善了原子论，然而此时的原子论就同四元素说等理论一样——它们都诞生于哲学的、抽象的、逻辑的思考，并不具有科学的、实践的、客观的意义。如今，原子论从一众描述物质组成的学说中脱颖而出，但是现在的它已经同古希腊时的它在本质上完全不同了

球盟会官网报道

【新人豪礼】新会员专享注册送88元体验金，存100送100，再送免费游戏局
【存款返赠】使用虚拟币支付额外再赠2%，均可获赠58元红包优惠券！
最佳投注体验，超高游戏赔付，千场精彩赛事，下载体育APP，等你来战。

大约在两千五百年前，古希腊人留基伯提出了原子论，而后他的学生德谟克里特发展并完善了原子论，然而此时的原子论就同四元素说等理论一样——它们都诞生于哲学的、抽象的、逻辑的思考，并不具有科学的、实践的、客观的意义。如今，原子论从一众描述物质组成的学说中脱颖而出，但是现在的它已经同古希腊时的它在本质上完全不同了

——现在的原子论是经过科学实验检验的，是经过相对论、量子力学发展的，是可以应用于实践并符合物理理论预期的。

人们并不了解宇宙中暗物质和暗能量的基本组成，但人们对在感官上可以直接接触、在科学上容易开展研究的普通物质却有着深刻的认识：所有的普通物质都由原子组成，换言之，不同种类、不同数量、不同排列方式的原子们组成了千变万化的普通物质。

原子由原子核和核外电子组成。原子核带正电，处在原子的核心区域，它占据了原子绝大部分的质量，就像太阳占据了太阳系绝大部分的质量一样，但是原子核的体积却只占原子体积的几千亿分之一——可见其密度奇大无比。核外电子带负电，电子的负电同原子核的正电相抵消，因此原子整体上呈中性，电子的迁移、重排等行为在宏观上就形成了各色的化学反应。如同在轨道上绕着太阳运动的行星们，电子也在不同的轨道上绕着原子核高速运动——不过它遵循的规则远比行星遵循的更加复杂。量子力学的发展有助于我们更加准确地认识电子运动规律，电子的分布可以用四个物理量进行描述：主量子数——原子核外分布着许多电子层，用KLMNOPQ区分，处在K层的电子和处在L层的电子的主量子数就不同；角量子数——电子层内含有电子亚层，处在同一个电子层的多个电子需要以此进行区分。电子亚层用s、p、d、f去区分，处在L层s亚层的电子和处在L层p亚层的电子尽管有着相同的主量子数，但它们的角量子数是不同的；磁量子数——电子亚层内并不存在电子亚亚层，但是电子亚层本身在空间中有着不同的分布形式，好比一块长方体木板竖着放与横着放是不同的，当不同电子在同一电子层的同一电子亚层时，我们还要区分电子亚层的空间分布；自旋——当不同电子的主量子数、角量子数、磁量子数都一样时，根据泡利不相容原理，二者的自旋必定不同——一个向上一个向下（一个+1/2，一个-1/2），自旋是电子的内禀属性，电子的自旋只有两个方向。这也就是说，世界上不存在主量子数、角量子数、磁量子数、自旋都一样的电子。

目前电子无法再一步细分，但原子核内部明显有着更细微的结构。原子核由质子和中子组成。质子带正电——这就是原子核带正电的原因，中子不带电，二者的质量相当接近。质子的数量决定了原子在元素周期表上处在哪个格子内，中子的数量影响同一格子内存有多少同位素。“同性相斥，异性相吸”是电磁学告诉我们的常识，质子都带正电那么原子核就应该因为质子之间的排斥而不稳定，然而事实是许多原子核是相当稳定的，因此必然存在其他的力来抵消质子之间的排斥力，这个力叫做强相互作用。强相互作用既不是引力也不是电磁力，是同它们地位相同的另一个基本相互作用，它束缚住了质子和中子，从而保持住了原子核的稳定。

那质子和中子可以再细分吗？可以，根据量子色动力学（QCD），质子和中子由夸克组成。夸克有两个重要的性质——色和味：味——夸克有六种味，分别是上、下、顶、底、奇异、粲；色——每种味的夸克又都有三种色，分别是红色、蓝色和绿色。现在我们将这 些知识运用在质子和中子上看看：带正电的质子由两个上夸克和一个下夸克组成的，上夸克带+2/3电，下夸克-1/3负电，因此质子正好带+1电；中子则是由两个下夸克和一个上夸克组成的，所以中子是不带电的，而质子和中子内的这三个夸克分别有着红蓝绿三种色。

到这里我们对普通物质的组成已经有了非常深刻的认识了，然而我们不禁发问：为什么夸克必须三三成对？为什么处在原子核心的不是“夸克核”而是质子和中子组成的“原子核”？夸克为什么不自由？

这是受到了强相互作用的影响。强相互作用的存在一方面保证了原子核的稳定存在，另一方面造成了“夸克禁闭”现象：我们至今没有发现自由夸克，它们被限制在质子和中子当中，这是因为强相互作用的作用强度与距离成负相关，当两个夸克之间的距离增大时，同样增大的强相互作用所蕴含的能量就足以在空间中形成新的夸克，于是一个夸克就总会同另一个夸克连接了，夸克因此无法独立自由地存在，在这一过程中，多余的强相互作用会“溢出”形成π介子。

在文章的最后，我觉得很有必要介绍一下弦理论。弦理论认为，将微观粒子看作“粒子”是错误的，物质最基本的存在形式是一维的弦，弦进行不同形式的震动会产生不同的粒子。同时，弦可以进行分裂和融合，用粒子的角度来看就好比两个电子之间交换了光子然后排斥开了，这个过程实际上是弦之间进行分裂和融合。当然，粒子之间有如费米子、玻色子的区别，弦同样分为开弦和闭弦，而弦理论统一量子力学和广义相对论的奥妙则在于此：弦理论认为，闭弦就是引力子。膜理论认为宇宙存在于一个巨大的二维的膜上，在我们宇宙所在的膜的旁边则是另一个膜，闭弦一端连接着我们的膜，另一端是连接着另一个膜，因此我们宇宙的引力相互作用就相当小了，因为它“流失”到了另一个膜上，成为了另一个宇宙的暗物质——我们宇宙的暗物质的来源也是这样的。

十分感谢读者您看到这里！下一篇文章预告：从商鞅变法引发的思考，连坐思想的扬弃处理。标题还不能先告诉大家哦。

另外：好奇，如果我写EVA（新世纪福音战士）的文章大家会欢迎吗？