量子和粒子物理學何以解釋一切

第11章 走入歧途

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問一個很難的問題

到目前為止,本書都在隨意地使用“粒子”這個詞。現在是時候確定下來了。如果想認真地討論粒子物理,就需要確定我們談論的“粒子”究竟是什麽。

物理學家給粒子下的最簡單的定義是:“穩定而不自發分裂的東西。”從這個意義上講,你的身體就是一個巨大的粒子,因為你的手臂(通常)不會隨機地分裂,所以你符合這個定義。

當然,你的身體是一種複合粒子,因為人體傾向於保持穩定,但也可以分解成更小的粒子—器官,器官也很穩定。器官可以分解成叫作“細胞”的粒子,而細胞又可以進一步分解成分子和原子。原子由質子、中子和電子組成。

據我們所知,電子不能繼續分解成更小的物質。電子不是由“亞電子粒子”構成的,卻能保持穩定。電子不同於原子、分子和細胞,它是一種非常特殊的粒子。它沒有亞結構,因此是真正的基本粒子。

了不起的法拉第先生

基本粒子的故事起源於19世紀初,當時最偉大的科學表演者邁克爾·法拉第開啟了它。法拉第生長在貧窮的鐵匠家庭,但他相信科學屬於任何對它感到好奇的人。為此,法拉第開始在英國皇家研究所發表關於科學的公開演講,他講的化學反應和物理現象給聽眾留下了深刻的印象。正是在這些演講中,他最早揭示了對磁的發現。磁是一種獨特的力。

磁可以穿越真空,可以吸引或排斥其他磁體,而不需要中間任何東西傳遞信號。磁力也可以穿過實體屏障,這是很特殊的,因為其他力都必須通過推拉與物體直接接觸(1)。

今天我們生活在手機和Wi-Fi(無線網絡)被普及的世界裏,所以磁似乎沒什麽了不起的,但在19世紀初,不通過接觸就能影響事物,這種概念無異於巫術。為了解釋磁鐵的工作原理,法拉第讓人們把磁想象成由“場”構成,而不是由物質構成的。