第五章 基本粒子和自然的力（3 / 10）

最小单位。在卢瑟福实验中，α粒子具有几百万电子伏特能量。更近代，们知道使用电磁场给粒子提供首先是几百万然后是几十亿电子伏特能量。这样们知道，20年之前以为是“基本”粒子，原来是由更小粒子所组成。如果们用更高能量时，是否会发现这些粒子是由更小粒子所组成呢？这定是可能。但们确实有些理论根据，相信们已经拥有或者说接近拥有自然界终极构件知识。

用上章讨论波粒二象性，包括光和引力宇宙中切都能以粒子来描述。这些粒子有种称为自旋性质。自旋可以设想成绕着个轴自转小陀螺。但这可能会引起误会，因为量子力学告诉们，粒子并没有任何很好定义轴。粒子自旋真正告诉们是，从不同方向看粒子是什样子。个自旋为0粒子像个圆点：从任何方向看都样（图5.1－A）。而自旋为1粒子像个箭头：从不同方向看是不同（图5.1-B）。只有把当它转过完全圈（360°）时，这粒子才显得是样。自旋为2粒子像个双头箭头（图5.1－C）：只要转过半圈（180°），看起来便是样。类似地，更高自旋粒子在旋转整圈更小部分后，看起来便是样。所有这切都是这样直截当，但惊人事实是，有些粒子转过圈后，仍然显得不同，你必须使其转两整圈！这样粒子具有1／2自旋。

图5.1

宇宙间所有已知粒子可以分成两组：组成宇宙中物质自旋为1/2粒子；在物质粒子之间引起力自旋为0、1和2粒子。物质粒子服从所谓泡利不相容原理。这是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现，他并因此获得1945年诺贝尔奖。他是个模范理论物理学家，有人这样说，他存在甚至会使同城市里实验出毛病！泡利不相容原理是说，两个类似粒子不能存在于同个态中，即是说，在不确定性原理给出限制内，它们不能同时具有相同位置和速度。不相容原理是非常关键，因为它解释为何物质粒子在自旋为0、1和2粒子产生力影响下不会坍缩成密度非常之高状态原因：如果物质粒子几乎在相同位置，则它们必须有不同速度，这意味着它们不会长时间存在于同处。如果世界创生时不相容原理不起作用，夸克将不会形成不相连、很好定义质子和中子，进而这些也不可能和电子形成不相连、很好定义原子。所有它们都会坍缩形成大致均匀稠密“汤”。

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