物质到底是咋来的?原来并不简单

物质是怎么产生的?

关于“物质如何产生”,其实我们可以先对“物质”进行拆解,物质说白了就是构成物质的粒子的集合。这句话的意思是,如果你可以把物质无限进行切分,那你就可以得到一堆粒子,这些粒子有个共同的特点,那就是不可以再分。

可能很多人脑海里想到的是原子,实际上,原子是可以再分的,因为原子是电子和原子核构成的。电子不可再分,但原子核还能再分成质子和中子。至于质子和中子,其实也还是可以再分的,也就是夸克。

物质到底是咋来的?原来并不简单

上世纪,科学家利用粒子加速器,不停地让粒子进行对撞实验,结果得到100多种粒子,当时科学家们也蒙圈了,这么多粒子到底如何做分类呢?毕竟,分类的前提是搞清楚这些粒子都是干嘛的?

其次,还有一个问题,就是物质不应该仅仅是一团粒子,应该还得有东西把它们聚合起来,否则也无法构成物质。后来,经过一群顶级物理学家的努力,基于量子力学和狭义相对论,终于弄出了粒子物理标准模型。在这套理论中,科学家把粒子分成了两大类,费米子玻色子。其中费米子就是构成物质的最小单位。而玻色子其实就是把费米子聚合在一起的粒子。费米子当中就包括了夸克,电子,μ子,τ子,中微子等。

物质到底是咋来的?原来并不简单

而玻色子其实传递四大作用力当中的3种,分别是传递强相互作用的胶子和介子、传递弱相互作用的W玻色子和Z玻色子、传递电磁相互作用的光子(这里的光子和我们常说的光子是有区别的。),还存在一种叫做希格斯玻色子的粒子,它赋予其他粒子质量。

物质到底是咋来的?原来并不简单

至于引力其实没有纳入到这个体系当中,目前引力的最主流理论还是来自于广义相对论,也就是引力的本质是时空的扭曲。而所谓的“引力子”理论和现实拟合得其实很不好,并没有得到承认。

物质到底是咋来的?原来并不简单

因此,一般我们看到的物质是这么产生的,三味夸克由于胶子传递的强相互作用构成了质子和中子,而质子和中子由于介子传递强相互作用被束缚在原子核内,而电子通过光子传递的电磁相互作用而被束缚在原子内,有因为弱相互作用,电子没有进入原子核内,而是在原子核外呈现概率云分布。

物质到底是咋来的?原来并不简单

而希格斯玻色子赋予了各种粒子质量,这些粒子的质量占据物质质量的1%,剩余的99%质量来自于胶子传递的强相互作用所释放的能量对应的质量,这个质量可以通过爱因斯坦的质能等价E=mc^2计算得到。

物质到底是咋来的?原来并不简单

这也就是物质的本质,费米子、玻色子以及它们所释放的能量的集合

物质粒子是如何产生的?

不过,如果我们再继续追问,可能就会问到这些物质粒子到底是咋来的?这就要说到宇宙大爆炸了。

物质到底是咋来的?原来并不简单

宇宙起源于奇点,奇点温度是无限大的,大爆炸之后,温度逐渐下降。而在宇宙大爆炸初期,宇宙当时存在着我们日常生活所说的那种“纯能量”状态。我们可以理解成辐射或者光子。光子和光子只要具备一定的能量其实对撞之后可以产生物质粒子。具体来说是这样的,粒子其实都是有质量的,根据爱因斯坦狭义相对论,质量里有能量,能量里有质量,所以实际上质量是可以对应“静止能量”的,也就是说,粒子可以对应“静止能量”,这是可以通过爱因斯坦的质能等价E=mc^2算出来。

只要一对光子的能量超过或者达到一对粒子的能量之和,就可以产生物质粒子,而要产生能量足够的光子其实是要求环境到达一个阈值温度的,具体可以看下表。

物质到底是咋来的?原来并不简单

也就是说,只要阈值温度够,光子就有一定概率产生物质粒子,比如:60亿度左右时,一对光子就可以产生正电子和电子。因此,实际上这些物质粒子是辐射的量子或者光子通过在对撞产生的。