14、所有粒子都有反物质吗？塞格雷发现反质子在线免费阅读

今天先把之前讲过的内容回顾一下啊，然后再来探讨新问题，温故而知心嘛，你看人类研究粒子是从物质构成开始的。最开始认为最小的单元就是原子啊，后来发现了电子和原子核，知道了原子是由电子和原子核构成的啊，电子在这个原子核外边儿围着转。后来又发现了质子和中子，哦，这原子核又是由质子和中子组成的。后来啊又发现了电子的同胞兄弟反电子，也就是带正电荷的电子叫做正电子。这东西为啥在生活当中不常见呢？哎，因为宇宙当中到处都是电子啊，这正电子一遇到电子啊就会发生湮灭，放出光子。哎，对了，这光子也是基本粒子啊，再后来由语言了中微子啊，每秒钟有上万亿个中微子从我们身体当中穿过啊，那为啥感受不到呢？因为中微子太小了，几乎不和任何物质发生作用。再后来就发现了介子，为啥叫做介子呢？因为质量介于电子和质子之间啊，这质子的质量和中子差不多，所以它俩叫做核子，在原子核里嘛。那这样人们就有了一个命名的标准，就是质量只在这个电子和核子之间的粒子就叫介子，介子后来又发现了好几种啊，什么π介子，k介子。那质量如果要是大于核子呢，那就叫做超子啊，二战之后随着加速器的发展啊，人们陆陆续续发现了很多种粒子，当时统一给起了个名儿叫做奇异粒子，因为没见过呀，就大部分都是超子。就是质量比核子要大，都用一些诡异的符号来命名啊，比如什么德尔塔超子啊，拉姆达超子啊，西格玛超子啊，克西超子欧米伽超子啊。那你自然就会问为啥我感觉这些都没听过呢？你生活当中有吗？印象当中啊好像生活中的物质就是有电子，质子，中子组成的啊，这其他粒子都在哪儿呢？哎，那咱们就得从粒子的性质说起。性质都有啥呢？大小，质量这都很好理解啊，寿命，对了，就是这个寿命严格来说啊应该叫做平均寿命。这个粒子的寿命是怎么定义的呢？是一个粒子静止自由状态的时候，看他什么时候衰变，比如说把一个粒子放这儿，只要衰变成别的粒子了，就算他死了啊，然后多个粒子看平均时间，所以叫做平均寿命。所有的粒子当中，电子、质子、中微子、这寿命是最长的，也就是最稳定的啊，这三个叫做长寿粒子，其中这质子的寿命能够达到10的33次方年，想想也对，你要不然生活当中的物质就不稳定了呀，就指不定这衰变成啥了啊。我知道你们肯定要问了，为啥没有中子呢？哎，这中子不稳定吗？刚才咱们说了是处于静止自由状态的粒子啊，中子在原子核里的时候，它和质子待在一起的时候啊，他是稳定的，不过自由中子就不行了，一个自由中子它的寿命大概是881.5秒啊，也就是说他不到15分钟他就得衰变啊，衰变成质子和中微子。但是这个时间啊也是其他所有粒子里边儿这寿命最长的了，其他的粒子不管是介子还是超子啊，平均寿命都要低于十的负五次方秒，最短的大约是十的负25次方秒，哎，所以就算这个粒子他足够大，哎，你也看不见，因为他死的太快了。那你们肯定还有一个问题啊，就是光子呢这光子的平均寿命是多少啊？这光子啊有点儿太bug了，它没有静止质量，所以理论上来说啊，你都不能把一个光子说静止给他放到这儿去测量啊，对于光子来说他没有时间啊，因此光子永远也不会衰变，寿命就是无限长啊，咱们就不和这些有质量的粒子比了啊，这就纯属耍赖。还有一个问题就是真实情况下粒子是不会老老实实待着的，更多时候他都是高速运行的，那怎么算这个寿命呢？，这个时候啊爱因斯坦的相对论就起作用了，就是利用相对论的时间变换公式来计算啊，所以理论上这高速运行的粒子，寿命啊都要更长一些。因为他的时间会变慢啊，粒子的速度越接近光速，这就体现的就越明显。粒子除了大小，质量，寿命还有什么属性呢？嗯，自旋啊，咱们之前说过是自旋为整数的粒子啊，就都叫做玻色子，自旋为半整数的粒子呢就都是费米子，这个之后再细说。还有一个性质就是带不带电，你看啊，有的粒子带正点，有的带负电，还有的不带电啊，自从狄拉克预言了第一个反物质的就是正电子之后啊，这物理学家就一直在考虑这样一个事情。就是是不是所有的粒子啊都有它的反粒子呢？哎，当然啊，这心里边儿肯定是希望有的，因为对称就像是这个自然的法则一样啊，就有正必有负，在物理学上这种电荷的对称性叫做电荷共轭对称。所以你要想要验证这个电荷它到底是不是对称的，那就得通过实验把所有粒子的反粒子一个一个的找出来。和咱们的心理一样啊，你如果你要想找，那就得找最具有代表性，嗯，寿命最长的粒子，也就是质子的反粒子，好，下边儿啊，咱们的故事就开始了。

发现反质子的人啊，其实咱们上期提过一个叫做塞格雷，这位号称是费米学派的当家花旦啊，哎，这事儿啊咱们还得从费米说起。

费米是1901年出生在意大利的罗马啊，他和海森堡同岁，和那小哥仨是年龄相仿啊，意大利可是文艺复兴的发源地呀，而且啊这文艺复兴末期的第一个世界科学中心就是在意大利呀，所以意大利也有很多优秀的科学家啊，伽利略、伏特、就是发明电池的那位啊，后来为了纪念他的电压的单位用的就伏特呀，还有阿伏伽德罗，给出了化学里无处不在的阿福加德罗常数。正是这些伟人的光环照耀之下啊，这费米从小就对物理产生了很大的兴趣。1918年啊，17岁的费米高中毕业准备去比萨高等师范学校上大学啊，这个时候啊他已经自学了高数、力学，声学等知识啊，所以当时这个入学考试有一道附加题，是写一篇关于声音特性的文章。就正常高中生也能写啊，结果费米写了一篇论文，用傅里叶分析的方法给出了杆振动的波动方程，校方直接就惊呆了，满分。就这样吧，这一入学考试第一的成绩进入了比萨高等师范学校。大学期间又开始自学张量分析，这就开始研究广义相对论了啊，然后呢又自学了量子力学，到了1924年费米有出国深造，去德国的歌廷根大学，导师就是给出波函数概率解释的波恩。

在这期间费米就结识波尔、海森堡、泡利、狄拉克就是研究量子力学，这帮人。深造了不到两年，加费米已经是量子力学的权威人物了啊。1925年当泡利提出了泡利不相容原理之后，费米就写了一篇论文叫做《论单原子理想气体的量子化》。在这篇论文里，费米提出遵循泡利不相容原理的这个全同粒子组成的系统的统计规律，后来又被狄拉克推导了出来，所以人们叫做费米狄拉克统计，这就是费米子的由来。简单说就是遵循泡利不相容原理的粒子自旋都得是半整数也就是费米子，这个你知道就行，然后1926年啊，这费米就回到了老家罗马大学当上了教授啊，25岁就当上教授了，厉害吧。因为在德国的出色表现，这费米也算是著名物理学家了，于是就吸引了一帮小年轻究生啊，想要跟随25岁费米教授学习物理，当时都管费米叫做教皇，嗯，因为费米就是意大利量子理论的权威代表啊，在这些年轻人当中就包括这位赛格雷。格雷是1905年啊，也是出生在意大利罗马，嗯，不过他大学呢是按照他父亲的意愿在罗马大学学习的工程学。1927年他偶然一个机会认识了费米当时的助教啊叫做拉赛蒂。这位拉赛蒂当年是费米在这个比萨高师的同学，现在成为费米的助教了，正好在1927年啊，意大利有这么一件大事儿啊，就是纪念伏特逝世一百周年。世界各地的物理学家啊就都来到了意大利，顺便就召开了一次国际物理学大会。塞格雷对物理还是挺感兴趣的啊，他也想见见世面，他就找到这个拉赛蒂帮忙啊，说能不能带我混进去啊？这拉赛蒂心想我还不知道能不能进去呢，最后用塞格雷自己的话讲啊，他跟着拉赛蒂，拉赛蒂跟着费米。看着费米的面子这仨人就都进去，这一开会啊，果然是长见识，什么普朗克、卢瑟福啊，波尔、密立根全是大咖，这赛格雷突然就决定了我要转行，会后就经过拉赛蒂的引荐找到了费米。说我想跟您学习物理呀，费米你说行啊，经过一番考验啊，这个塞格雷和费米的师生之友就这么建立了起来啊，并且一直保持了下去。所以费米去世之后啊，他最出名的一本自传就是塞格雷为他写的，那从此之后这赛格雷和拉赛蒂也成为了费米的左膀右臂。到了1932年啊，还有这费米团队就发现那慢中子，更容易与这个原子核相碰啊，就快了的时候还打不着啊，但是你怎么样才能够让这个中子慢下来呢？哎，他们又发现富含氢的物质可以让中子减速啊，比如说水，这就是一氧化二氢啊，或者这个石蜡，重水，这都可以。二战期间原子弹这个核裂变反应当中啊，中子的减速办法就是使用的重水。后来1938年费米正是因为慢中子技术获得了诺贝尔物理学奖，但这其中有塞格雷和拉塞蒂的功劳啊，接下来的故事你们就知道了，这1938年费米和塞格雷都逃到了美国，塞格雷是犹太人啊，所以就逃了啊，这样的在曼哈顿计划当中立下了汗马功劳。塞格雷还有一个功绩就是发现了43号元素金属锝，锝元素早在门捷列夫时期啊，就已经被预言了，你看门捷列夫也很厉害，他就根据这个素周期表就预言了43号元素应该是一种类猛元素，但是人们一直都没发现，塞格雷是怎么发现的呢？1935年的时候啊，这赛格雷荣升了巴勒莫大学的教授啊，这就算是出师了，后来1936年啊，听说美国伯克利大学那边儿啊造了个仪器叫做回旋加速器，这个设备在当时呢是很先进的，可以把粒子加速到很高的能量，他就决定说过去看一看。三年之前啊，这费米领他来过一次，还认识了这个伯克利大学的教授劳伦斯。

这位劳伦斯是谁呢？他就是发明这个回旋加速器的领头人啊，他也在1939年因为发明这个回旋加速器获得了诺贝尔物理学奖。还有一点值得说啊，劳伦斯也是号称东方居里夫人，我国物理学家吴健雄的导师，关于吴建雄前辈啦，别着急，咱们之后还会说到。这塞格雷过去之后我就找到了劳伦斯，说老教授你看你们这些粒子啊，攻击之后的这个金属板啊，能不能给我几块哎，这正常人肯定感觉啊你要那玩意儿有啥用啊？这用途可就大了啊，经过加速的粒子攻击过的材料啊，往往都含有异常丰富的放射性物质。没准就能发现宝贝啊，果不其然，1937年这塞格雷就在一块儿钼板上，哎，不是这个木头的木啊，而是42号元素金属钼啊，在这上面儿呢，他就发现了43号元素金属锝。你看就当时美国伯克利大学啊，虽然在设备上领先了欧洲，不过在理论上啊貌似还差了一口。这费米听说了之后，哎，也很高兴啊，就夸塞格雷说43号元素锝是本世纪最伟大的发现。就这样，这赛格雷和劳伦斯的关系也越来越好。所以1938年啊，塞格雷逃到美国之后，就是在伯克利大学工作的，二战之后，这塞格雷也成为了美国伯克利大学的教授，专心寻找这个反质子。找反质子的主要问题就在于这个加速器啊，一般的加速器能量都不够，理论上啊想要人工产生反质子，至少得将质子加速到5.6GeV。所以在1955年还是伯克利大学又建造了一个啊6.2GeV的质子同步加速器。这到了年底啊，塞格雷就和他的学生张伯伦毫无悬念的发现了反质子，也就是质子的反物质啊，有其他都一样，但是电荷和磁距还是相反的。这反质子，遇到质子也会湮灭，产生能量啊。次年塞格雷团队又发现了反中子，1959年塞格雷和学生张伯伦啊，因为发现了反质子共同获得了诺贝尔物理学奖，至此寻找反质子的故事就可以结束了，不过你们肯定还有一个问题，就是反质子可以理解啊，反中子是什么鬼呢？这中子他又不带电，哎，咱们这儿啊简单说一下。一个粒子的反物质并不是说他电荷相反就是反物质了啊，粒子的性质啊，咱们上面说了几个？大小、质量、寿命、自旋、电荷，但是除了这些啊，这粒子还有很多量子属性，你比如说重子数、奇异数等等啊，反粒子的定义是啥呢？是质量、寿命、自旋这些都和正常粒子相同，但是所有的内部相加性量子数，就比如说电荷、重子数，奇异数等等啊，这些都是大小相同，方向相反才能够叫做反粒子。并且啊不是所有的粒子都有反粒子，你像光子这个π灵介子，他们的所有的内部相加性量子数都是零，这样的粒子就叫做纯中性粒子，所以他们的反粒子啊就是自己本身。再往下探讨啊，就是一些未解之谜了啊，就比如说中微子的反粒子的是不是它本身呢？呃，在粒子物理标准模型当中啊，中微子是不存在质量的，自旋是1/2的电中性的费米子。但是咱们之前说过啊，自从发现了这个中微子震荡，这就证明了中微子是存在静止质量的呀，哎，只不过很微弱啊，因此也有人猜测说这中微子啊可能是一种暗物质啊，如果一个费米子它的反粒子是其本身啊，那这个费米子就叫做马约拉纳费米子。这是1937年意大利物理学家埃托雷马约拉纳预言的一种粒子，反之就叫做狄拉克费米子。就目前来说，中微子是最有可能成为马约拉纳费米子的粒子，这位马约拉纳也被费米称都是天才。能够与伽利略，牛顿齐名，不过可惜的是啊，他在1938年32岁的时候离奇失踪了，现在也成了一种著名的悬案了。目前还有一个未解之谜。就是你会发现宇宙当中这个正反物质它是不对称的，就目前的观测来说啊，宇宙中并不存在有反物质组成的天体诶，那为啥这个宇宙都是由正物质组成的呢？对这件事儿就被称作是反物质消失之谜。咱们就不做过多探讨了啊，那好，这今天的内容啊有点多啊，咱们明天继续来探讨这些奇异粒子。

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