【科学讲堂】元素排成表 世界可理解

2018-09-27 18:52:44  阅读 12 次 评论 0 条
■我们现在了解的物质组成部件:分别可以看到「上夸克(u)」、「下夸克(d)」和「奇夸克(s)」。 网上图片
■我们现在了解的物质组成部件:分别可以看到「上夸克(u)」、「下夸克(d)」和「奇夸克(s)」。 网上图片

  我们身边各种各样的物质,究竟是由什幺构成的?各种物质看起来千变万化,当中是否有任何的规律?这些问题,远至公元前300年的希腊哲学家阿里士多德早已在询问。到了19世纪,俄罗斯化学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)成功将各种元素排列成元素周期表,呈现出它们之中隐藏的秩序。这给了科学家们极大的信心,提供了一个很好的範例:物质之间真的有秩序,而且是可以被我们理解的。

  原子非最小单位

  到了20世纪初,卢瑟福(Ernest Rutherford)的金箔实验发现了原子之中,原来大部分都是「一无所有」的空隙,而原子大部分的质量则集中在位于中央的原子核之中。

  随科技的发展,我们认识了原子并不是物质最小的单位:原子的外围是电子,而原子核则是由质子及中子所组成。原来不同的原子是由不同数量的电子、质子及中子所构成,而它们相互之间的影响造成了不同元素的特性。

  这个成功的探索,鼓励了科学家继续询问相同的问题:质子跟中子又是否由更小的「部件」所组成的?为了寻找答案,在20世纪中后期,科学家们不断地在实验室中将不同的粒子加速,令它们拥有更高的能量;然后再让它们相撞,藉此将它们的高能量转化成质量,造出更重的新粒子。

  这带出了一个百花齐放却又混乱的局面:一时之间科学家在实验室中发现了很多不同的粒子,是否可以重複门捷列夫的创举,找出它们背后的规律?

  由更小粒子製造

  美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann)做到了:他指出了一系列的这些新粒子,如何可以利用三种更小的粒子「製造」出来。这些更小的粒子,分别就是我们现在叫的「上夸克(up quark)」、「下夸克(down quark)」和「奇夸克(strange quark)」。(由此看来,物理学家可能并不太擅长改名。)

  其后的继续研究,发现夸克跟「3」这个数字特别投缘:夸克之间有一种独特的吸引力,称为「强作用力(strong force)」。「强作用力」跟「3」的关联在哪里?我们熟悉的电荷可以分为「正电荷」及「负电荷」两类,而两者相遇时就会互相抵消;强作用力也有类似的特质:它也有自己的「电荷」,不过却有3种,因此只有3种不同的「强作用力电荷」走在一起时才会互相抵消。

  在此,物理学家借用了一下艺术家对颜色的理解:红、蓝、绿3种原色加起来,就成为「洁净无瑕」的白色了,跟强作用力的状况十分相似。因此强作用力的电荷,现在就被称为「颜色」:每一颗夸克,都可以被分类为红色、蓝色或绿色。

  小结

  门捷列夫的元素周期表,是不少科学家心中的範例:世界是可以被理解的。夸克的发现,让我们更进一步了解比原子核更小的微观世界。夸克本身也有许多奇怪的性质,希望在未来再和大家分享。

  逢星期三见报

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