从宏观到微观

本文意在简单阐述宏观宇宙空间尺度下我们星球所处的位置,以及构成宏世界的最基础单元,从而系统性的了解“我们在哪”和“我们是什么”。主要为两部分:宇宙篇和粒子篇。

 

一、宇宙篇

古人云:“上下四方曰宇,往古来今曰宙。”宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体;包含三种连续体:时空、能量型态(包含电磁波,能量,物质)以及意识。

图源:方舟(ARK.OOO)

 

(一)主要成分如下:

 

(二)我们地球所在的位置如下:

图源:Wikipedia

 

1、可观测宇宙:(直径930亿光年)

截至2013年对宇宙年龄最精确的估计是13.799 ± 0.021 亿年。但由于宇宙的膨胀,可观测宇宙的半径并不是固定的138亿光年,人类所观测的古老天体当前的距离比起其原先的位置要遥远得多。现在推测可观测宇宙半径约为465亿光年,直径约为930亿光年。根据宇宙学原理,从任何方向到可观测宇宙边缘的距离大致是相等的。

图源:Wikipedia

 

2、双鱼-鲸鱼座超星系团复合体:(直径超过10亿光年)

本复合体5个部分组成,双鱼-鲸鱼超星系团、英仙-飞马链、飞马-双鱼链、玉夫座长城、以及我们所在的拉尼亚凯亚超星系团。包含了60个次超星系团,是我们所在在的已知最大结构(存在重力关系的结构)。

图源:Wikipedia

 

3、拉尼亚凯亚超星系团:(直径超过5.2亿光年)

包含超过10万个星系,超过500个已知的星系团和星系群,三个超星系团:我们所在的室女超星系团、孔雀-印地安超星系团、以及质量中心“巨引源”所在地,长蛇-半人马座超星系团。银河系及其所属的星系团都在朝巨引源运动,同时,拉尼亚凯亚超星系团也正朝着夏普力超星系团移动。

图源:Wikipedia

 

4、室女座超星系团:(直径约1.1亿光年)

包含了约2万个星系,100多个星系团和星系群,超星系团质量中心为距银河系6000万光年的室女座星系团,本星系群只是室女座星系团的一个小星系纤维。除向质量中心室女座星系团运动外,超星系团内的大部分成员都以600km每秒的速度向遥远的“巨引源”移动。

图源:Wikipedia

 

5、本星系群:(直径约1000万光年)

由超过50个星系组成,银河系和仙女座星系是本星系群的两个质量中心。其他各星系向两个质量中心运动,而银河系和仙女座星系也在相互靠拢,并在37.5亿年后相撞融合。整个本星系群朝着室女座星系团方向运动。

图源:Wikipedia

 

6、银河系:(直径约10万光年)

银河星系(古称银河、天河、星河、天汉、银汉等),是一个包含太阳系的棒旋星系。直径介于10万光年至18万光年。大约拥有1,000亿至4,000亿颗恒星,并可能有1,000亿颗行星。太阳系距离银河中心约26,000光年,在有著浓密气体和尘埃,位于猎户臂的螺旋臂的内侧边缘,是本星系群第二大的星系。

图源:Wikipedia

 

7、太阳系:(直径约100亿千米)

太阳系是一个受太阳引力约束在一起的行星系统,包括太阳以及直接或间接围绕太阳运动的天体。在直接围绕太阳运动的天体中,最大的八颗被称为行星,其余的天体要比行星小很多,比如矮行星、太阳系小行星和彗星。太阳系的形成大约始于46亿年前一个巨型星际分子云的引力坍缩。

图源:ARK.OOO

 

8、地月系:(直径约80万千米)

地月系是一个由地球和月球组成的天体系统,地球乃地月系之中心天体。月球乃地球之唯一天然卫星,也是距离地球最近的自然天体。地月平均距离为38.4万千米。

图源:Pinterest

 

9、地球:(直径约1.3万千米)

地球是太阳系中由内及外的第三颗行星,距离太阳1天文单位,是宇宙中人类已知唯一存在生命的天体,也是人类居住的星球,共有76.6亿人口。诞生于约45.4亿年前,半径约6,371公里,平均密度5.5 g/cm3,是太阳系行星中最高的。地球同时进行自转和公转运动,分别产生了昼夜及四季的变化更替,一太阳日自转一周,一太阳年公转一周。自转轨道面称为赤道面,公转轨道面称为黄道面,两者之间的夹角称为黄赤交角。地球仅有一颗自然卫星,即月球。

图源:Wikipedia

 

二、粒子篇

浩渺的宇宙是我们没法想象的大,而仅仅站宇宙成分4.9%的普通物质,我们所能感受的物质世界又是由什么构成的呢?本篇就概括性地统计介绍,各种微观粒子的种类与构成关系,从而建立起一个简单清晰的微观粒子图景。

图源:方舟(ARK.OOO)

 

(一)物质的微观组成:

宏观物质,最终都是由微观粒子所组成的。

微观粒子从大到小,有分子、原子、质子和中子(原子核)、最后是基本粒子。而基本粒子,就是目前不可再分割的微观最小物质。这里不可分割的意思——是指没有体积与模型图像,无法检测到其内部结构,即:可以作为点粒子(类似质点的概念)来处理。

那么,基本粒子主要由三大类构成——夸克、轻子部分玻色子(每一类又有多种)。其中,夸克和轻子又称费米子——其构成了物质最开始可被观测的结构。

费米子自旋为半奇数粒子的统称,有时也称为物质粒子。而夸克与轻子,只是费米子中的基本粒子,还有很多(由基本粒子构成的)复合粒子也是费米子

玻色子自旋为整数粒子的统称,其中有一部分称为规范玻色子(与规范场论关系密切而得名)——其传递了粒子之间的基本相互作用(即传递力);还有一种特殊的玻色子——希格斯粒子(又称上帝粒子)其所在的希格斯场,则负责产生了(静)质量

这两类玻色子(规范玻色子与希格斯玻色子),都是玻色子中的基本粒子,还有很多(由基本粒子构成的)复合粒子也是玻色子

事实上,规范玻色子需要满足规范对称性,即不能有质量,因为存在质量会破坏对称性,而希格斯场的作用,即满足了规律的对称性,也赋予了某些规范玻色子的质量。

图源:Wikipedia

 

综上可见,费米子中的基本粒子——构建了物质结构,玻色子中的基本粒子——产生了相互作用和质量。

而在费米子玻色子之中,会有很多不可区分的全同粒子,如电子与电子、光子与光子,即:每一类粒子,都是全同粒子。

那么,在全同粒子之间,会有强烈的相互作用:一类是全同费米子,具有强烈相斥作用;一类是全同玻色子, 都可以凝聚到能量最低态。

另外,费米子——遵循泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle),即:在费米子组成的系统中,不能有两个或两个以上的费米子,处在相同的量子态;而玻色子——则不遵守这个原理,即:在玻色子组成的系统中,多个玻色子可以处于同一个量子态。

于是,费米子系统——不能有全同粒子,量子态可以计数;玻色子系统——可以有全同粒子,量子态不可计数。

量子态相同,就没有办法计数的原因在于,粒子没有明确的轨道,由于不确定性原理,它可以出现的位置是“概率云”,所以就没有办法追踪多个相同量子态中的一个,即不能给相同的量子态“编号”,这样多个相同的量子态就没办法区分,只能算一个,同时测量还会改变全同粒子的量子态,使其变得不同。

量子态计数对应了微观时间变化的来源,因此,费米子构建的上层物质,也就拥有时间。

 

(二)微观粒子的构成关系

分子是能够独立存在,且保持化学特性的最小物质,分子由多个原子构成,原子是化学反应不可分割的最小物质(即元素),原子由质子和中子组成的原子核,及核外电子(属于轻子)构成。

其中,原子核的体积,只有原子的几千亿分之一,但质量却占到了99.96%以上。如果原子是一个足球场,原子核只是足球场中的一个铅笔大小。

而原子核中的质子和中子,两者质量差不多(中子略重),约是核外单个电子质量的1836倍,且均由三个(不同种类的)夸克构成。

那么夸克,其实并不能被直接观测到,或被分离出来,只能通过其构造的质子和中子(复合粒子)进行研究。因为夸克禁闭,令夸克不能独立存在,只能以复合粒子的形式出现。

最后,基本粒子中,轻子(如电子、中微子)和规范玻色子,包括希格斯粒子,则可以独立存在。但所有基本粒子都是点粒子,没有可观测的体积与结构。

图源:Wikipedia

 

1、构成物质的粒子

       正好分成三组,通常被称为族。而每一族,包括2个夸克和1个电子(或电子的反粒子),以及1个相应的中微子。共48种:

  • 第一族,电子、电子中微子、上夸克、下夸克。
  • 第二族,渺子(μ子)、渺子中微子、粲夸克、奇夸克。
  • 第三族,陶子(τ子)、陶子中微子、丁夸克、底夸克。

      三族中,对应列的粒子,除了质量依次增大,其它性质是完全一样的。

  • 夸克——是一种参与强力的基本粒子,属于费米子,自旋1/2。
  • 轻子——是指不参与强力的基本粒子,属于费米子,自旋1/2。

      费米子中的基本粒子——夸克和轻子,构成了物质基础结构。其中轻子,又有以下几类:

  • 电子——是基本粒子,属于费米子轻子,负电荷、负自旋磁矩、自旋1/2。
  • 中微子——是基本粒子,属于费米子轻子,无电荷、无自旋磁矩、接近光速、质量极小、自旋为1/2。
  • 渺子——是基本粒子,属于费米子轻子,负电荷、自旋1/2。

2、产生传递力的粒子

  • 光子——是传递电磁力的基本粒子,属于规范玻色子,自旋为1。
  • 胶子——是传递强力的基本粒子,属于规范玻色子,自旋为1。
  • W和Z玻色子——是传递弱力的基本粒子,属于规范玻色子,自旋为1。
  • 引力子——是传递引力的基本粒子,属于规范玻色子,自旋为2,未证实存在。

     玻色子中的规范玻色子——传递了相互作用力,其方式是:交换(即发射和吸收)规范玻色子。

     需要指出的是,这种“交换”不仅可以传递斥力,也可以传递吸引力,如在电磁场中,带相同电荷的粒子,传递光子产生斥力,带相反电荷的粒子,传递光子产生吸引力。

     可见,光子承担了“信息”的功能,因此我们也称规范玻色子为——信使粒子。

3、与质量相关的粒子

  • 希格斯粒子——是基本粒子,属于玻色子,自旋0。

     玻色子中的希格斯粒子,在希格斯场中,通过自耦合作用,令自己获得质量。同时,希格斯场也会与基本粒子(W和Z玻色子、夸克和轻子)耦合,使它们获得质量。

     随着希格斯粒子的发现,基本粒子标准模型一个61种全部被发现:

图源:方舟(ARK.OOO)

 

4、奇异粒子

是有奇异数不为0的粒子,它们的奇特性质是结伴产生、产生快、衰变慢,起初对此无法解释,故称奇异粒子。现共发现200多种奇异粒子(奇异数,是描述粒子内部性质的一个量子数)

 

(三)其他粒子名称:(不同角度的分类)

  1. 亚原子——是指比原子还小的粒子统称,也称次原子
  2. 费米子——是自旋为半奇数粒子的统称,有复合粒子与基本粒子。
  3. 玻色子——是自旋为整数粒子的统称,包含规范玻色子,有复合粒子与基本粒子。
  4. 规范玻色子——是传递相互作用力的基本粒子——有光子、胶子、W和Z玻色子,引力子(未证实)。
  5. 基本粒子——是不可分割的点粒子——有夸克、轻子、规范玻色子、希格斯粒子(不确定是否有内部结构)。
  6. 反粒子——是质量、寿命、自旋与对应粒子相同,但其它所有性质(如电荷)会尽可能的相反,即大小相同符号相反。并且,粒子具有对称性,每一种粒子都有一种反粒子,而反粒子构成了反物质,与正物质相对。正反粒子相遇就发生湮灭,令质量转化为能量。
  7. 复合粒子——是由多个基本粒子组成的粒子。

   (1)复合粒子:原子核

  • 质子——是由三个夸克和胶子组成的复合粒子,属于费米子,正电荷、正自旋磁矩、自旋1/2。
  • 中子——是由三个夸克和胶子组成的复合粒子,属于费米子,无电荷、负自旋磁矩、自旋1/2。

     费米子中的复合粒子——质子和中子(其中有规范玻色子——胶子),构成了原子核。

   (2)复合粒子:其它分类

  • 强子——是受到强力影响的亚原子的统称,包括重子介子
  • 重子——是指由三个夸克及胶子组成的复合粒子,属于费米子,自旋半奇数,如质子和中子。
  • 超子——是指质量超过质子和中子,并且至少含有一个奇夸克的重子
  • 核子——是组成原子核的粒子统称,属于重子
  • 介子——是复合粒子,属于玻色子,自旋为整数。

 

最后,原子 = 质子(夸克 + 胶子)+ 中子(夸克 + 胶子)+ 核外电子。而原子又称为元素,已知的元素有118种,元素构成了分子化合物,后面的就是化学了。

作者:阿古
链接:https://www.ark.ooo/1/
来源:方舟(ark.ooo)
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THE END
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