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【48812】物质是无限可分的吗?

  千百年来,人类一直在探究这样的问题:咱们周围的物质,从天上的星球到海滨的沙粒,究竟是由什么组成的?假如咱们将物质不断地往小里分,将会呈现啥情况?它们是无限可分,仍是存在最小组分?若是后者,物质的最小组分又是什么?

  远古时期,不同派系的哲学家对这样的一个问题作出了不同的答复。古希腊哲学家德谟克利特以为,物质是由许多细小的、不行切割的单个颗粒组成的,他把这种颗粒称为“原子”,并以为这些“原子”是永久的、不变的和不行穿透的;物质的多样性是因为原子的方式、状况或结合办法不相同形成的。另一位古希腊哲学家柏拉图却以为,把物质一次又一次地往小里分,终究遇到的将是数学方式——“正多面体”。这些“正多面体”自身不是物质,可是它们构成物质。这两种观念:一是说物质由实体颗粒——“原子”组成,具有不接连结构;一是说物质由数学方式——“正多面体”组成,具有接连结构,两者形成了明显的比照。可是,在2000多年后,却都得到了科学的验证。1808年,英国科学家道尔顿依据他所发现的倍比规律提出了原子论的科学假说,成功地解说了许多化学现象。以常见的水的分子为例,它便是由两个氢原子和一个氧原子组成的。可是,物质的晶体结构又的确是由 “正多面体”组成的,这好像又证明了柏拉图的预言,只不过后来试验发现这些“正多面体”也是由道尔顿的“原子”构成的。那么,这些原子是否“永久不变”、“不行切割”呢?在道尔顿提出原子的科学假说之后,这样的一个问题仍困扰科学家近百年,直到19世纪末, X射线、天然放射性和电子的先后发现才使人们知道到,原子也不是物质的最小组分。

  1911年,英国物理学家卢瑟福和他的两名学生盖格和马斯登经过阿尔法粒子散射试验发现原子的中心有一个带正电的核。与原子比较,核很小,其直径约为原子直径的万分之一,但简直集中了原子的悉数质量。因为早在1897年汤姆孙就发现了电子,所以人们理解,原子是由电子和核组成的。1919年,卢瑟福用阿尔法粒子炮击氮核,从中打出了氢核,然后证明氢核是一切原子核的底子组分,并将其命名为“质子”。这样,氢原子便是由一个电子和一个质子组成的。因为电子带有一个单位的负电荷,而氢原子是中性的,因而质子应该带有一个单位的正电荷。类似地,氧原子的质量约为氢原子的16倍,也便是说,氧核的质量约为氢核的16倍,因而氧核里应该包括16个质子,可是化学家早就知道,氧原子里只要8个电子,氧核也只能带有8个单位的正电荷,换句线个质子,那么氧核的另一半质量是从哪里来的呢?1932年,英国物理学家查德威克用阿尔法粒子炮击铍核,从中打出了一个质量与质子适当的中性粒子,将其命名为“中子”。随后,海森伯和伊凡宁柯别离指出,原子核是由质子和中子组成的,然后处理了上述难题。已然科学家现已从原子核里打出了质子和中子,证明了原子核也不是“不行切割的”,那么,质子、中子和电子是否还能往小里分呢?

  第二次世界大战之后,科学家接连发现了数百种亚原子粒子:有性质与电子相同但质量却为其数百倍的μ子;有质量介于电子和质子之间的π介子和K介子;有与质子和中子相同在强相互作用下保持稳定的Λ超子。所以,科学家企图模仿元素周期表来为这数百种粒子分类:将既参加强相互作用又参加电磁和弱相互作用的质子、中子、π介子、K介子和Λ超子,以及比它们更重的粒子统称为强子;将不参加强相互作用只参加电磁和弱相互作用的电子、缪子和后来发现的中微子和陶子统称为轻子。1964年,盖尔曼和茨韦格别离独登时提出了夸克模型,以为一切强子都是由夸克构成的,例如,质子是由3个夸克组成的;π介子是由一对正、反夸克组成的。随后不久,试验物理学家便发现了夸克模型预言存在的Ω粒子,然后验证了夸克模型。可是,理论以为,夸克被软禁在强子内部,试验底子没办法观察到单个夸克。现实也的确如此。强子的夸克结构也具有对称性,即所谓SU(3)对称性,正如柏拉图所说的“数学方式”,它们正是经过SU(3)对称性来构成质子、中子和π介子甚至一切物质的。所以,科学家和哲学家再次为康德悖论所困扰:一方面,人类能将周围的物质切割为分子、原子,将原子切割为原子核和电子,将原子核切割为质子、中子……好像物质能这样永无止境地切割下去;另一方面,试验上的确无法把夸克从强子中“切割”出来,又使人们不得不怀疑:物质是否无限可分?

  从德谟克利特提出原子“不行切割”到三大试验发现“打破”原子,经过了2000多年,便是从道尔顿提出原子的科学假说算起,也经过了近百年,而盖尔曼和茨韦格提出夸克模型至今还不到50年,现在就说“敲不出夸克”“物质不再可分”,好像为时尚早。到目前为止,试验上用万亿电子伏量级的高能粒子可以探测到的最小空间标准为10?18米,在这种情况下,依然未能发现夸克和轻子具有内部结构,而理论上预言的空间最小标准为10?35米,也便是说,科学家即便能将夸克和轻子往小里分,也还会再阅历许多“阶梯”。或许,在能预见的未来,科学家对物质结构的知道仍将重复接连—不接连的循环,哲学家仍将为物质“可分”与“不行分”而争论不休。厉光烈


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