宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第4部分
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地带走了那部分失踪的能量。后按照意大利物理学家费米的建议，正式把这个粒子叫作中微子。有了中微子以后，衰变的机制就清楚了，成功的费米衰变理论，就是在中微子假设的基础上提出来的。
中微子提出后，二十多年内一直还只是一个理论假设，并没有在实验中发现它的足迹。这是为什么呢？因为中微子只参与弱相互作用，比通常的电磁作用要弱20个数量级。我们大概作一个比较，一个电子在物质中只能走约1微米远，一个光子在物质中可以走大概10厘米远，而一个中微子却可以走约1015米远。也就是说，一个光子在水中平均走10厘米左右就会与水中的一个原子发生一次作用，而一个中微子却要穿过整整1011个地球才会与其内的一个原子核发生一次作用。如果想用探测器来测中微子，至少中微子得在探测器内发生一次作用以便留下可供探测的信号。也就是说，即使我们用像地球那样大的探测器，1011个中微子射到探测器上也只能探测到一个中微子。可见，探测中微子是一件十分艰巨的工作，必须有巨大的探测器和极强的中微子束。
3．0。1秒
在宇宙诞生0。1秒时，宇宙温度已经急速下降到300亿摄氏度。在此前构成世界的基本单位中子与质子的数量是一样的，但是随后中子数飞快减少，两者之间的比例从1∶1下降到0。61∶1。我们不知道为什么最初中子和质子数量一样，但是还好，我们还能知道为什么质子要比中子稳定。科学顽强地试图看透规则背后的东西。
绝大多数的基本粒子都是不稳定的，经过一定的生命期就会衰变为其他的粒子，粒子的产生和湮灭是基本粒子的基本性质。当然，确实也还存在着若干稳定的粒子，例如质子、电子、中微子和光子，这是需要我们进一步去说明的事实。根据相对论的结论，质量和能量存在着一定的比例，再根据能量和动量守恒，就可以知道粒子只能衰变为比它本身的静质量更轻的粒子。因此静质量为零的中微子和光子的稳定性非常高，就可以用能量和动量守恒得到说明。电子是带电粒子中最轻的粒子，比它轻的粒子都是不带电的，因此在能量动量守恒和电量守恒的双重约束下，电子也应该是稳定的。可是为什么质子也能是稳定的呢？例如它完全可以衰变为正电子和光子，而且这一过程并不违反能量、动量以及电荷等守恒定律，应该是允许的。可是事实上质子却是非常稳定的，它的生命期非常长。其实质子的稳定性是我们整个宇宙构成的基础，因为如果质子是不稳定的，原子结构也就不稳定，以致分子结构不稳定，整个目前所呈现的宇宙结构也就都不稳定了。
第13节：三、物质形成（7）
因此，质子的稳定性是一个极为重要的事实。为了说明质子的稳定性，人们引进了类似电荷的新量子数，称它为〃重子数〃，并且规定质子的重子数为1，它们的反粒子（称为反质子）的重子数为…1，而其余的更轻的粒子的重子数均为0。质子是带有重子数的最轻的粒子，并且类似电荷守恒，在任何物理过程中体系的总重子数（所有粒子的重子数的代数和）是要守恒的。这样在能量动量、电荷和重子数守恒的三重约束下，质子的稳定性才得到形式上的说明。重子数的概念可以推广到更多的粒子，而且重子数守恒定律也被证明是普遍成立的。应该指出以上对粒子稳定性的说明只是以现象本身来进行的现象说明，还没有找到问题的本质，粒子的稳定性还需要我们寻找更深刻的本质上的原因。正像原子稳定性的研究对原子物理的促进一样，粒子稳定性的研究也将带来基本粒子研究的重大发展。
4．1秒
在宇宙诞生1秒的时候，宇宙温度已经下降到100亿摄氏度了。随着这个火球密度的减小，中微子不再处于热平衡状态，开始向外逃逸。电子…正电子对开始发生淹没效应，中子和质子之比进一步下降到0。3∶1，但这时温度还是太高，强核力仍然不足以把质子和中子束缚在一起。
尽管如此，强子特别是质子和中子是构成世界物质的基本单位。强子的出现，意味着构成宇宙特别是我们能够看到的宇宙星辰的物质具备了出现的前提。有了强子，特别是中子和质子，才有了石块、泥土和水，才有了星球和人类。
但是，科学永远不会满足于只是了解到强子这个层次。前文曾说，科学永远试图看到规则背后的东西。所以，科学试图知道比强子还基本的东西是什么，然而，这次科学让大家有些失望。
规则之三：物质的最小单位夸克 科学家解释强子的构成时，使用了模型的概念。因为强子可以探测，但是打碎强子看看它里面的东西，却似乎是一项不可能完成的任务。宇宙规则深奥无比，强子像一个坚硬的小球，无论科学家用什么方法都不能动摇它分毫。也许是因为我们的能力还不够，但是更有可能的是规则根本不允许强子被打开。
所以，科学家只能猜测比强子更基本的物质单位是夸克，每个强子由三个夸克构成，这就是所谓的夸克模型。
夸克模型在说明强子的分类、质量和物理过程等方面取得了显著的成绩，可是作为夸克模型的主要角色夸克却至今尚未在舞台上亲自出场，这未免使人扫兴。虽然在1977年4月，美国斯坦福大学的费尔班克在美国物理学会年会上，宣称他曾发现了电荷为1/3电子电荷的客体，很可能它就是自由夸克。当时引起了科学家们一阵兴奋，可是后来别人重复这样的实验时却没能再发现分数电荷。
第14节：三、物质形成（8）
夸克在强子内部自由地运动着，估计目前所能达到的能量的高能粒子就可能把夸克分子轰出来，那么为什么我们至今尚未发现夸克呢？是什么原因把夸克禁闭在强子内部呢？ 科学家们根据大量事实确认了夸克的存在，但是又没法说明自由夸克为什么至今还未被发现？它是否最终能被发现？目前在回答这些问题时，人们提出了若干所谓〃夸克禁闭〃的方案。
夸克禁闭的问题和强子结构是紧密相联的。一般认为，夸克之间是通过交换胶子而形成它们之间的强相互作用的，正像带电粒子之间通过交换光子而形成它们之间的电磁相互作用一样。但是这两者之间又有本质的差别。根据目前所谓量子颜色规范场理论的观点，颜色规范是非对易的，而电磁规范是对易的，由此导致它们有以下两点主要差别：（1）胶子本身带有颜色，也就是胶子本身也可以产生胶子，而光子本身并不带电，光子本身不能直接产生光子。（2）带电粒子距离愈小，它们之间的电磁相互作用愈大；距离愈大，作用力却愈小。而夸克之间的超强相互作用则与之相反，当夸克之间的距离愈大时作用也愈大，而当它们的距离愈小时作用力也愈小，当它们相互靠近时，它们就像是近乎自由的粒子。
上文所说的超强相互作用的这种在近距离趋向自由的性质通常称为渐近自由性（或称紫外自由）。而当夸克间的距离愈来愈大时，它们之间的作用也愈来愈大。正是由于这个缘故，使得我们无法把单个夸克分离开来。
对于强子结构、夸克禁闭已提出了若干具体模型，这些模型可以总括为两大类。
第一类模型就是所谓的弦模型。它认为强子是由一条无质量的弦所构成的，这条弦有不变的张力（相当于势能与距离成正比），因此它经常会收缩而至消失。只有当弦经常绕其质心转动，并且其端点以光速运动，以至于这条弦有伸长的趋势时，才可以使离心力和张力达到平衡。弦的两端中一端是夸克，另一端就是反夸克，这好像是磁棒的两极一样。如果我们设法把弦拉长，那就要不断地对它做功，当弦得到足够的能量，就会被拉断成为两条弦，这样我们并没有得到单个的自由夸克，而不过是产生了另外一个强子。实际上在弦的断裂处产生出一对夸克对夸克和反夸克分别出现在两条弦的断裂端上。这也和磁棒的情况相像，我们使磁棒断裂，只能得到另外的磁棒，而不能得到单个的磁单极。
强子结构的另一类模型就是所谓的袋模型。在这个模型里，强子被看成是真空中的气泡，夸克和胶子被看成是装在气泡内的气体，点状的夸克和胶子在泡内自由地运动。由于这种运动对泡的边界产生了压强，使泡向外扩展，而另一方面真空又对泡的边界存在固定的压强，使泡向内收缩。当两种倾向达到平衡时，就是强子通常所处的状态。泡的边界虽然具有弹性，可以收缩和扩展，但却不能让泡内的夸克和胶子穿透。因此在这个模型里，夸克和胶子是绝对禁闭的。实际上袋模型是在以夸克禁闭作为基本事实的前提下提出来的，显然，这种模型否认了找到单个夸克的可能性。在袋模型中，强子的质量主要来自袋内夸克的能量、袋本身的与袋体积成比例的体积能（体积能密度就是真空对袋所施加的不变压强）、夸克之间通过交换胶子的色相互作用能，以及一部分零点能量。
第15节：三、物质形成（9）
强子结构是基本粒子研究的重要方面，可是无论是夸克模型，还是其他模型，目前还没有哪一种强子结构的模型是令人满意的。也许，我们永远都不能知道强子里到底是什么。
5．13。8秒
在宇宙创生13。8秒时，宇宙温度下降到30亿摄氏度。这时，质子和中子已经可以形成像氢、氦这样稳定的原子核，我们对宇宙的认识终于可以转到化学的层次了。化学是一门古老的学科，化学比物理学更接近我们的生活，也更容易被我们理解。我们知道的物质相互作用，例如爆炸、燃烧，甚至生命的形成，化学都能给我们一些直观的认识。
化学元素就是从13。8秒这一时刻开始形成的。注意，我们指的是化学元素的原子核，而不是化学元素本身。在这么高的温度条件下，电子还不可能被原子核俘获形成原子，所以在这个时候，科学只能给出原子核形成的一些图像。当然，只要元素的原子核能够形成，那么原子核最后俘获电子形成中性原子就只是时间问题了。所以，在这个阶段，最好先看看原子核的合成。
在现在人类的科研条件下是不可能模仿30亿摄氏度这样的温度的，怎么办呢？有一个办法，温度对粒子运动的影响无非是影响它的活跃程度，也就是说，温度越高，粒子越活跃。那么，什么是粒子活跃呢？就是速度快的粒子。
于是，人们通过研究粒子高速运动的行为来间接推断创世之初的情形。好在人类已经有了加速粒子的手段，那就是高能加速器。加速器的作用就是通过长长的跑道，用不断给粒子加速的方法来获得高速粒子。加速器有两种…直线加速器和环线加速器。直线加速器很好理解，粒子像一个短跑运动员，从一端跑到另一端获得速度。目前世界上最大的直线加速器在美国，长度达到10公里，从空中看非常壮观。而环线加速器可以理解为圆形跑道，粒子一圈一圈地跑，不断获得速度。
科学家通过加速器把粒子加速到宇宙初期30亿摄氏度时粒子热运动的速度�
