第二章第一节

第二章现代自然科学的几个基本问题现代自然科学是一个十分庞大的知识体系，本章只介绍自然科学中的几个基本问题。

自然科学的基本问题，是指那些亘古以来人类就开始探求，而至今仍在不停地探索的自然奥秘；是指那些与人类认识论、自然观等命题密切关联、相互促进、有重大哲学意义的课题。

例如，物质的微观结构、宇宙的形成和演化、生命的起源、非线性科学和复杂性研究等等。

本章只介绍前三个问题。

第一节物质的微观结构一、探究物质结构之谜1.历史的回顾世界是由物质组成的，从结构层次上看，有宇观、宏观、微观之分，宇宙之大与粒子之微是物质世界的两个极端，而其中微观世界又是构成宏观世界和宇观世界的基础。

然而，即使在今天，人们借助于普通的光学显微镜甚至是电子显微镜仍无法看清它的“庐山真面目”。

那么，微观世界到底是什么样的呢？大千世界究竟是由什么构成的呢？从古到今，人们一直在不断地探索着。

古人对物质结构的认识带有强烈的猜测和思辨的成分。

早在周代，我们的祖先就提出了阴阳五行说，即万物由金、木、水、火、土五种物质原料构成。

《周易》中有“太极生两仪，两仪生四象，四象生八势”之说。

太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八势是天、地、雷、风、水、火、山、泽。

战国时的老子曾说过：“道生一，一生二，二生三，三生万物。

”“二”是指阴和阳，阴阳合一为“冲气”; “三”者产生万物。

公元前7 世纪，印度人提出，水、火、土、气是构成世界的基本元素。

这些观点大多停留在认识的初级阶段，这与当时生产力的发展水平及人们对自然界的认识水平是一致的。

而古代原子论的提出，则将人们对世界本源的认识跨上了抽象的阶段。

其代表人物是古希腊的哲学家留基伯（Leucipus ）和德漠克利特（Democritos ），他们认为物质是由不可分、不可入的永恒的原子构成；原子在无限的虚空中的各个方向上运动，其相互结合、分离以及排列的次序、位置和原子形状的多样性，构成了纷繁复杂的世界。

古代原子论对物质结构问题的认识，在今天看来，有着极其重大的意义和深远的影响。

原子是实物粒子，无限的虚空即“场”，而正是“场”和“实物粒子”，构成了物质存在的两种基本形式。

真正对物质的构成进行科学的探索和解释，则是近二三百年来的事情。

2．近代物质结构研究的进展近代，牛顿以“质点”概念为基础的经典力学体系使原子论进入了科学的殿堂，而科学的原子论是随着近代化学的发展而建立起来的。

300 年前，英国科学家玻意耳（R . Boyle）提出了化学元素的定义：元素是某些不由任何其他物质所构成的、原始的、简单的物质，而且是化学方法不能再分解的实物。

100 年前，俄国科学家门捷列夫遵循已发现元素的规律，制成了元素周期表，通过该表可以预见未发现的元素的特性。

如果说化学使原子论步入了实验科学的领域，那么，19 世纪末物理学的“三大发现”使人们终于打开了原子世界的神秘之门，以此为契机，人们开始了对原子结构以及基本粒子的深入研究。

首先是1897年，英国物理学家汤姆逊(J.J.Thomson)在对阴极射线所做的一系列定性和定量的实验中发现了电子，它带有负电，质量大约是氢原子质量的1/1840 ，这是人类发现的第一个最为基本的粒子。

此后，1911 年，英国科学家卢瑟福（E.Rufherd）通过粒子散射实验，确立了原子的核式结构，证实了原子是由电子和原子核组成的。

1932 年又确认了原子核是由带正电的质子（即氢原子核）和不带电的其质量与质子相当的中子组成的。

同年还发现了正电子（其质量与电子相等，但带有等量的正电荷）。

至此，人们已经掌握了原子是由电子、质子、中子组成的。

到1947 年，人们一共发现了包括反质子、反中子在内的14 种基本粒子。

其中：电子、质子和中子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者；π介子则是核力的传递者。

这一时期发现的基本粒子常被称为第一代基本粒子。

近年来，由于高能加速器的迅速发展，人们在高能物理实验室中发现了大批新的基本粒子。

1950 年前后被发现的许多具有“生得快，死得慢”特点的奇异粒子，被称为第二代基本粒子。

1960 年前后，发现了大量被称为第三代基本粒子的寿命非常短的共振态粒子，现已发现的共振态粒子多达几百种，它们成了基本粒子的重要组成部分。

随着当代粒子物理研究的迅猛发展，人们对物质结构的认识达到了前所未有的深度。

二、奇妙的微观世界如此众多的基本粒子是各不相同的，随着人们认识水平的提高，人们逐步了解了微观世界的层次结构和基本规律。

1．微观粒子的基本性质质量、寿命、电荷和自旋是基本粒子最重要的性质。

(1）质量。

在基本粒子的家族中，除了最轻的光子的质量为零外，每种粒子都具有一定的质量。

粒子的质量是指它们静止时的质量。

(2)寿命。

在已发现的几百种基本粒子中，只有电子、质子、中微子等59 种是稳定的，其余都要在或长或短的时间内衰变为其他的粒子。

粒子在衰变前的平均存在时间叫做粒子的寿命。

粒子的寿命差异很大，如一个自由中子的寿命约为15min ，而有的粒子的寿命只有1024-s。

其典型的寿命是：弱力衰变为1010-s 左右；电磁力衰变为1020-s左右；强力衰变为1023-s。

与质量相仿，粒子的寿命是粒子静止时所表现的寿命。

(3)电荷。

除了不带电的中性粒子外，粒子所带的电荷是量子化的，都是质子电荷的整数倍，故通常以质子电荷作为电荷的最小单位。

(4)自旋。

每个粒子都有自旋运动，好像是永不停息的旋转着的陀螺。

它们自旋的角动量也是量子化的，其值可以用一个自然数整数或自然数加1 / 2 半整数来表示。

(5)大小。

粒子的大小是用粒子的半径来表示的。

原子的半径是1010-m 左右；质子的半径是1015-m 左右；电子、μ子和夸克的大小尚未确定，但可以肯定其半径小于1019-m 。

(6)粒子与反粒子。

对各种粒子的比较还发现，它们都是配成对的。

配成对的粒子称为正、反粒子。

正、反粒子的一部分性质相同，另一部分性质完全相反。

例如，电子和正电子的质量和自旋相同，而电荷和磁矩则完全相反。

2．基本粒子的相互作用基本粒子间存在着多种相互作用。

所谓相互作用，从通俗的意义上说就是力。

世界万物的基本变化，可归结为4 种基本力，即万有引力、电磁力、强力和弱力。

由于基本粒子的质量很小，它们之间的万有引力常常可以忽略不计。

引力和电磁力都属于长程力，它们作用的强度与距离的平方成反比。

强力和弱力则是短程力，它们在宏观世界不能直接被观察到，只有在很小的范围内才能起作用。

强力的作用范围是1015-m 左右，弱力的作用范围是1017-m ，即它们的力所能及的范围只分别相当于原子半径的1/100000 和1/10000000 。

原子核内部的质子和中子之间的作用力主要为强力；夸克之间的作用力也是强力，其强度在4 种基本力中最大。

弱力非常微弱，它一般只存在于中子及其他粒子的衰变过程中，其强度比引力大得多，但比电磁力弱。

这4 种力的强度之比为：强力：电磁力：弱力：引力＝1:102-:1013-:1038-这4 种力都分别由不同的粒子作为传递的媒介。

光子是电磁力的传递者；胶子是强力的传递者；中间玻色子W+、W-、Z0是弱力的传递者。

引力的传递者尚未发现。

3．基本粒子的分类根据粒子间作用力的特点，粒子可分为三大类：( l )强子。

参与强相互作用的粒子被称为强子。

已发现的粒子中，强子占绝大多数。

强子可按其自旋的不同分为两大类：一类的自旋为半整数，统称为重子，如质子、中子等；另一类的自旋为整数或零，统称为介子，如π介子等。

( 2 )轻子。

轻子只参与弱力、电磁力和引力作用，不参与强力作用，而且它们的自旋都为半整数。

至今已发现的轻子有三代，共6 种，分别被称为电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。

这6 种轻子都有自己的反粒子，因此实际上共有12 种轻子。

其中，μ子和μ子中微子广泛地存在于自然界中，有的产生于大气高层的宇宙射线，而有的则来自于太阳内部的核反应。

( 3 )传播子，即传递相互作用的基本粒子。

正如前面提到过的：电磁力的传播子是光子，基本电磁作用就是吸收和放出光子；弱力的传播子是中间玻色子W+、W-、Z0；强力的传播子是胶子。

引力的传播子由于作用太弱，极难探测到，至今尚未发现。

4．强子的内部结构由于基本粒子中绝大多数都是强子，因而，从20 世纪50 年代到70 年代，科学家对强子的内部结构进行了理论和实验两个方面的研究，并取得了重大进展。

其成果概括起来有以下几个方面：( 1)强子是由更基本的粒子—夸克组成的。

夸克所带电荷为质子电荷的2 / 3 或-1/3 。

夸克有6 种，它们分别是上夸克、下夸克、奇异夸克、夸克、底夸克和顶夸克。

这些夸克都是先经过理论推测其存在，而后又经过实验验证的。

( 2 )强子内部，夸克之间存在着非常强的相互吸引力，这种相互吸引力被称为“色”力。

每种夸克都可以有3 种“色”，如“红”夸克、“蓝”夸克、“绿”夸克。

“色”这种性质是隐藏在强子内部的，全部强子都是“无色”的，所以必须认为每个强子都是由3 种“颜色”的夸克等量组成的。

“色”力随夸克间距离的增大而增大。

当距离增大到强子的大小时，“色”力就非常大，以致不能将两个夸克分开。

这就是目前对“夸克囚禁”现象的解释。

所谓“夸克囚禁”指的是夸克和胶子不能呈自由状态单独存在而被禁闭于强子内。

( 3 )将夸克结合成强子是最基本的强相互作用。

夸克之间的强相互作用是通过交换胶子来实现的。

胶子共有8 种，它们在1979 年观察到的三喷注现象中被间接发现。

胶子可以组成胶子球，但胶子本身至今还没被直接观察到。

带电粒子所带的电荷决定它参与电磁作用的强弱，与此相类似，夸克所参与的强相互作用的强弱也由其所带的电荷来决定。

( 4 )在强子中，重子由3个夸克组成，介子则由1个夸克和1个反夸克组成。

例如，质子由2个上夸克和1个下夸克构成，中子由1个上夸克和2个下夸克组成，而K 十介子由1个上夸克和1个反奇异夸克组成。

如果引进“夸克数”这个量子数，并将正夸克的夸克数定为＋1 ，反夸克的夸克数定为-1 ，则所有强子和原子核的夸克数均为3 的倍数。

随着粒子物理学的进一步发展，科学家们又提出了“亚夸克模型”，日前正在积极的探索当中。

5．微观世界的基本规律科学家们在研究各种粒子的运动时，发现没有一种粒子是“长生不老”的，它们在一定的条件下，就会有新的生成，旧的消亡，而且可以互相转化。

例如，当电子遇上正电子时，两者都不复存在，共同转化成了光子；而高能光子在原子核的库仑场中又能转化为一对电子和正电子。

再如，在缺中子同位素中，质子会转化为中子，同时产生一个正电子和中微子；当质子遇上反质子时，则都会消亡而转化为介子；当二介子与原子核相互碰撞时，如果有足够的能量，就能转化为一对质子和反质子。