也許，大家會對宇宙的深邃和自己的渺小感到一絲的恐懼，我們只是生活在5%最常規(guī)的物質(zhì)世界里面，但是對于已知的這5%，我們也不是完全了解，我這么說你可能會感到有點(diǎn)詫異，畢竟我們的科學(xué)探索已經(jīng)這么先進(jìn)了，但是我不得不告訴你，我們的基礎(chǔ)科學(xué)還有很多事情沒有做，還有很多問題沒有搞清楚答案，構(gòu)成我們的世界最基本的粒子到底是什么，現(xiàn)在聊聊目前最前沿的科學(xué)發(fā)現(xiàn)最小的基本粒子及深度解析。

基本粒子存在的意義

經(jīng)過了日復(fù)一日的探索，目前發(fā)現(xiàn)了12種物質(zhì)粒子，絕大多數(shù)都是從高能粒子對撞機(jī)里撞出來的，這12種粒子里有6種被稱為“夸克”，英文名是“Quark”，剩余的6種被稱為“輕子”，英文名是“ lepton”，正好是一樣一半，但是可別以為我們這個世界就是由這12種基本粒子組成的，事實上組成我和你周圍一切事物只需要上面12種粒子中的3種就夠了，它們是2種夸克和1種輕子，這2種夸克的名字，叫“上夸克”和“下夸克”，另外一種構(gòu)成物質(zhì)的“輕子”就是我們所熟悉的“電子”。

在上中學(xué)的時候，我們了解到物質(zhì)的物質(zhì)的最小單元是“原子”，原子外面繞著電子不同質(zhì)量的原子核，加上不同數(shù)量的電子，就構(gòu)成了元素周期表里不同的元素，再往下細(xì)分，“質(zhì)子”和“中子”，就是由上夸克和下夸克構(gòu)成的?；驹胤殖稍雍撕退饷娴碾娮?，原子核里面有質(zhì)子和中子，把質(zhì)子和中子再細(xì)分下來就看到上夸克和下夸克。

上夸克、下夸克和電子已經(jīng)完全足夠構(gòu)成我們一切的宇宙了，那剩下的9種粒子是干什么用的呢？它們?yōu)槭裁创嬖谀兀?/strong>

遺憾的是，對于這些問題目前還真的不知道答案，宇宙是通過三種最小的基本粒子構(gòu)建出來的，通過它們的各種排列組合，就可以把它們組成原子，再通過原子組成分子，然后通過分子組成復(fù)雜的物體，比如恒星，行星，地球上一切的動物，也包括你和我，我們對這些比較非常熟悉，但是我們不知道為什么偏偏是由12種基本粒子里面的3種，按照這種方式組成我們的宇宙，也不知道這些物質(zhì)能不能按照另外一種方式把它們組成起來，目前我們發(fā)現(xiàn)的是宇宙在微觀層面唯一的組合方式還是存在著很多其他不同的版本的。

簡而言之，我們知道了5%的宇宙如何運(yùn)轉(zhuǎn)，但不知道它為什么要這樣運(yùn)轉(zhuǎn)，有些人可能會覺得這樣的問題根本就沒有意義，宇宙就是通過這種方式組合到一起的，其他的方式即使存在我們也永遠(yuǎn)沒有辦法知道，但是我們?nèi)祟惥褪沁@么好奇就一定要刨根問底，找到事情的答案，科學(xué)的進(jìn)步也是在這種不斷的刨根問底里一層一層的向前推進(jìn)的，如果我們一開始就沒有打破砂鍋問到底的精神，可能我們研究到分子這個層面就停下來了，對于大多數(shù)人來說，這個答案也許沒有那么重要，但對物理學(xué)上來說這個問題非常的重要，物理學(xué)家一定要將宇宙分解到不能再分解，找到那個最小的粒子，直到再也沒有辦法往下分為止，一旦物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這樣的基本例子，物理學(xué)家就會仔細(xì)的研究這些粒子是通過怎樣的一個規(guī)則來構(gòu)建我們的宇宙的，由此來理解萬物的運(yùn)轉(zhuǎn)方式，科學(xué)家們內(nèi)心都有這樣一個夢想，就是宇宙劃分到底層一定是非常簡潔的，目前已經(jīng)找到了夸克和輕子，但是并不確信已經(jīng)把宇宙切成了最小的部分，話說如此，我們也不能說我們完全沒有線索，這個線索在哪呢？就是我們目前發(fā)現(xiàn)的這些基本粒子，它能拼成一張表格，這張表格非常像我們熟悉的“元素周期表”，在利用粒子對撞機(jī)，研究了一個多世紀(jì)之后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這12種基本物質(zhì)粒子。

基本粒子

這12種基本粒子被分為了（三列/四行），每一列是一代的基本粒子（第一列就叫做“第一代基本粒子”，第二列就叫做“第二代基本粒子”，第三列就叫做“第三代基本粒子”），這些粒子的順序也是從第一代到第三代逐步發(fā)現(xiàn)的。

?第一代基本粒子：

它們是“上夸克 (u)、下夸克 (d)、電子 (e)、電子中微子（νe）”。

?第二代基本粒子：

它們是“粲夸克 (c)、奇夸克 (s)、繆子 (μ)、繆中微子（νμ）”。

?第三代基本粒子：

它們是“頂夸克(t)、底夸克(b)、陶子 (τ)、陶中微子（ντ）”。

圖解：12種基本粒子

這個表格是非常重要的，它里面藏著一個驚人的秘密，讓我們回顧一下人類對宇宙是怎樣構(gòu)成的這件事情的探索過程，最早人們認(rèn)為宇宙是這樣構(gòu)成的：（把古人的這些物質(zhì)想象成一張表格）

01

宇宙是由恒星、星云、行星、你、我、山、河、海、植物、動物、石頭等等，雖然它是一幅完整的表格，可是這張表格并沒有用處，因為這張圖沒有呈現(xiàn)任何基本的信息，也沒有向我們揭示什么內(nèi)在的規(guī)律，它只是呈現(xiàn)了最顯而易見的物體。

02

古希臘人提出了一個更簡單的表格，這張表格里有4種元素，它們分別是水，土，空氣和火。

圖解：（左上：土）、（右上：水）、（左下：空氣）、（右下：火）

03

東方人也提出了一個類似的表格，這張表格有5個元素，它們是金，木，水，火，土，這個時期的人們都相信宇宙萬物都是由這些基本的元素通過不同的比例組合到一起的。

04

現(xiàn)在我們知道這些想法是錯誤的，或者說是不精確的，但是古人至少往正確的方向上邁出了一步，也就是通過一張宇宙圖像來簡化人類對整個宇宙的描述，再后來人們發(fā)現(xiàn)恒星、石頭、土壤、水、火都是由原子組成的，再后來人們又發(fā)現(xiàn)原子是由更小的粒子組成的，比如質(zhì)子和中子，這些還可以繼續(xù)分成更小的粒子“夸克”。

“基本粒子”與“元素周期表”隱藏著規(guī)律

我們所熟知的“元素周期表”，當(dāng)古人發(fā)現(xiàn)元素周期表的時候還不知道原子實際上由更小的電子和質(zhì)子構(gòu)成的，仔細(xì)看現(xiàn)在的元素周期表，你會發(fā)現(xiàn)元素周期表有一側(cè)的元素非常容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而另外一側(cè)的元素則不太容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一般把不太容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的那一側(cè)叫做“惰性元素”。同樣，位置相近的元素，比如金屬元素或者氣體元素，它們具有類似的性質(zhì)，這些規(guī)律向我們提供了一個線索，就是元素周期表呈現(xiàn)的并不是最基本層次的粒子。

圖解：元素原子屬性

?舉例說明：

如果元素周期表上面每一個元素都已經(jīng)是不可再分的粒子了，那它們各自呈現(xiàn)的性質(zhì)應(yīng)該是隨機(jī)的，而不應(yīng)該形成某一類的規(guī)律。

這就好比你喝了一杯草莓味的奶茶，又喝了一瓶芒果味的奶茶，它們嘗起來雖然有區(qū)別，但是口感非常相似，于是你就會猜這兩杯奶茶肯定不是最基礎(chǔ)的元素單位，肯定有什么更基礎(chǔ)的元素組成了它們，它們的某一部分彼此相似，另外一小部分彼此不同，所以它們才會呈現(xiàn)出這種有規(guī)律的相似性，那組成這兩杯的奶茶更基本的元素相同的部分就是水，不同的部分就是里面加的香料，雖然可能你發(fā)現(xiàn)不了比奶茶更低層面的水和配料，這些基本的元素，但你通過這種相似性也能夠做出這種猜測。

同樣科學(xué)家在看元素周期表的時候也注意到了這些規(guī)律，于是科學(xué)家就開始思考這背后一定藏著什么東西，后來他們就發(fā)現(xiàn)元素周期表的規(guī)律，元素周期表的規(guī)律主要關(guān)乎于電子軌道的排列方式，這個知識我們就不重新復(fù)習(xí)了，大家都在中學(xué)學(xué)習(xí)過，我們還知道元素周期表上每一個位置都肯定有一個元素。只要把合適的“中子、質(zhì)子和電子”放在一起，就肯定能得到某一個元素，即便是這個元素還沒有發(fā)現(xiàn)，但是只要元素周期表上有一個空位，就遲早能找到這個元素。

回顧了人類發(fā)展的歷程，又重點(diǎn)說了元素周期表，現(xiàn)在回看一下目前這些基本粒子所列出的這個表格，研究一下前面所說過的粒子表格也會發(fā)現(xiàn)類似元素周期表的規(guī)律，會發(fā)現(xiàn)兩種不同的物質(zhì)粒子“夸克和輕子”，每一列都有兩個“夸克”和兩個“輕子”，夸克會受到強(qiáng)合力的作用，而輕子不會受到強(qiáng)和力的作用。

構(gòu)成常規(guī)物質(zhì)的粒子都位于第一列，第二列和第三列每一列的粒子都和第一列很像，它們都是前兩個是夸克，后兩個是輕子，每一列的某個粒子和它所在的同一行的其它粒子都有相類似的性質(zhì)。這些性質(zhì)包括它們能參與的基本力的相互作用，“夸克”粒子能參與強(qiáng)合作用力，而輕子不能參與強(qiáng)合作用力。

每一行的粒子所攜帶的電荷也是一樣的，第一行的上夸克、粲夸克和上夸克，它們所攜帶的電荷是+2/3，第二行的下夸克、奇夸克和底夸克攜帶的電荷是-1/3，第四行電子、繆子和陶子攜帶的電荷是-1，第三行所有的電子中微子、繆中微子、陶中微子攜帶的電荷都是0。

幾十年之前這張例子表格還并不完整，有幾種夸克和輕子還沒有被發(fā)現(xiàn)，不過當(dāng)時的物理學(xué)家們就注意到表格的規(guī)律，于是就通過這種規(guī)律預(yù)示了缺失的粒子。很多年前物理學(xué)家就知道應(yīng)該有第6種夸克存在，因為這張表里為這個粒子留下了一個空缺的位置，過了20年這種粒子終于被發(fā)現(xiàn)了，并且把它填進(jìn)了這張表格。

在元素周期表里，原子的質(zhì)量和性質(zhì)是非常重要的線索，從不同原子的質(zhì)量里看到了規(guī)律，又通過它們攜帶的正電荷推斷出每種原子的原子核里都包含多少個質(zhì)子，多少個中子，因為質(zhì)子帶一個正電荷中子不帶。

圖解：元素周期表&電負(fù)性表

在基本粒子表格里，每種粒子也呈現(xiàn)了質(zhì)量越來越大的變化，只不過它們沒有元素周期表的變化那么有規(guī)律

夸克和輕子不一樣，它們有奇怪的分?jǐn)?shù)電荷，第一行是+2/3，第二行是-1/3，把上夸克和下夸克以正確的方式混合在一起，就能得到質(zhì)子或者中子。

?舉例說明：（上夸克的電荷是+2/3，下夸克的電荷是-1/3）

• 例一：

2個上夸克+1個下夸克【2/3+2/3+（-1/3）=+1】，就是一個質(zhì)子。

• 例二：

1個上夸克+2個下夸克【2/3+（-1/3）+（-1/3）=0），就是一個中子。

• 例三：

在表格的第四行和第一列里面的電子，它帶的電荷又正好是-1，所以由質(zhì)子、中子和電子組成的一個原子，它的電荷才正好為0，原子（0）=質(zhì)子（+1）+中子（0）+電子（-1）。

如果夸克的電荷多了一點(diǎn)或者少了一點(diǎn)，那質(zhì)子的正電荷就不能平衡電子的負(fù)電荷，也就得不到穩(wěn)定的中心原子，如果沒有這些完美的-1/3和+2/3電荷，我們?nèi)祟惥筒粫嬖?，甚至整個宇宙也不會存在。

圖解：原子結(jié)構(gòu)示意圖

一個粒子能攜帶多少電荷，這不應(yīng)該是隨機(jī)的嗎？

按照目前的理論粒子可以攜帶任何大小的電荷，但是偏偏夸克和輕子就是嚴(yán)格的攜帶它們應(yīng)該攜帶的那個電荷，很遺憾的是我們完全不知道這到底是為什么，也或許在其他的行星里夸克和輕子沒有恰好攜帶這些電荷，那些行星里肯定就誕生不了生命。

在元素周期表發(fā)現(xiàn)了某種特別的規(guī)律，在元素周期表的更底層一定有更基本的粒子，基本粒子的表格所呈現(xiàn)的規(guī)律或許也會存在同樣的更基本的粒子，也許電荷的平衡意味著另外一條線索。也許這些不同的粒子是由更小更基本的粒子通過不同的方式組合在一起，才拼湊出這么完美的電荷攜帶量。

以上說的這些就是目前最前沿的現(xiàn)狀了，發(fā)現(xiàn)了12種基本粒子，其中3種是有用的，另外9種暫時沒有用，所謂沒有用，就是還不知道這9種粒子能組成什么樣的物質(zhì)，它們似乎只是單獨(dú)存在，或許這就已經(jīng)是答案了。

圖解：紅圈為：12種基本粒子

結(jié)語·“標(biāo)準(zhǔn)模型”

大的粒子可能就是沒有用處，因為它們不能合成質(zhì)量最小的穩(wěn)定粒子，也就是質(zhì)子中子和電子，我們的宇宙主要就是上夸克、下夸克及電子這種最輕的粒子組成的，可能在宇宙更小更熱的時候，這些大的粒子才派得上用場，現(xiàn)在它們只是宇宙冷卻的過程中存留下來的粒子而已?？茖W(xué)家仍然在努力了解這5%的宇宙，我們還是沒有透徹透物質(zhì)的本質(zhì)。12種基本粒子是不是就不能再細(xì)分了，對這12種基本粒子是不是已經(jīng)切分到底了？

但是和暗物質(zhì)、暗能量不同，對于這個問題的探索，目前已經(jīng)有了一個很堅實的基礎(chǔ)。這12種基本粒子，物理學(xué)家把它叫做“標(biāo)準(zhǔn)模型”，這些都是有現(xiàn)實根據(jù)的，都是可以通過實驗和觀測驗證的。

把這個結(jié)實的“標(biāo)準(zhǔn)模型”當(dāng)作一張地圖，在它的指引下不斷的拓展人類的知識邊界，通過基礎(chǔ)的研究發(fā)現(xiàn)新粒子，因為發(fā)現(xiàn)了這些新的粒子，有可能通過它們得到更加完整的宇宙地圖。

暗物質(zhì)有可能就是由我們還沒發(fā)現(xiàn)的粒子組成的，在我們發(fā)現(xiàn)新的粒子的過程中問題包括它的組成，它的運(yùn)行規(guī)律，通過對它們的研究就深入了解常規(guī)物質(zhì)的組成，一定要把宇宙切分到越小越好，越基本越好，這也就是為什么現(xiàn)在的科學(xué)家花那么大的代價去建造“粒子對撞機(jī)”的原因，通過這種思路我們可以進(jìn)一步探索那些對常規(guī)物質(zhì)沒有明顯作用的粒子或者一些現(xiàn)象，在不斷發(fā)現(xiàn)新的粒子、新的組成方式的過程中，找到新的答案，將答案中改變我們對這個宇宙的看法。