也许你会对宇宙的深邃和自己的渺小感到有点害怕。 我们只生活在最常规物质世界的5%中，但我们并不完全了解我们所知道的这5%。 我这么说，你可能会觉得有点惊讶，毕竟我们的科学探索已经变得这么先进了，但是我不得不告诉你，我们的基础科学还有很多事情没有做到，还有还有很多问题没有得到解答。 构成我们世界的最基本粒子到底是什么？ 我们来谈谈当前最小基本粒子的前沿科学发现及其深入解析。
基本粒子存在的意义
经过日复一日的探索，目前已经发现了12种物质粒子，其中大部分是高能粒子对撞机撞出来的。 这12种粒子中有6种称为“夸克”，英文名称为“Quark”，其余6种称为“轻子”，英文名称为“lepton”，是完全相同的一半。 但不要以为我们的世界是由这12种基本粒子组成的。 事实上，我们是由上面 12 种粒子中的 3 种组成的，你只需要上面 12 种粒子中的 3 种就能与你周围的一切相互作用。 它们是 2 种夸克和 1 种轻子。 这两类夸克的名称分别称为“上夸克”和“下夸克”。 另一种称为“上夸克”和“下夸克”。 第一个组成物质的“轻子”就是我们熟悉的“电子”。
当我们上中学的时候，我们就知道物质的最小单位是“原子”。 原子周围有不同质量电子的原子核，加上不同数量的电子，形成元素周期表中的不同元素。 再细分下去，“质子”和“中子”分别由上夸克和下夸克组成。 基本元素分为原子核和原子核外的电子。 原子核中有质子和中子。 当质子和中子进一步细分时，我们可以看到上夸克和下夸克。
上夸克、下夸克和电子足以构成我们整个宇宙，那么剩下的九个粒子有什么用呢？ 它们为何存在？
不幸的是，我们还不知道这些问题的答案。 宇宙是由三个最小的基本粒子构成的。 通过它们的各种排列和组合，可以组合成原子，然后原子又可以形成分子。 复杂的物体是由分子组成的，比如恒星、行星，还有地球上的所有动物，包括你和我。 我们对它们非常熟悉，但我们不知道为什么它们只由 12 种基本粒子中的 3 种组成。 据此，我们的宇宙有很多种构成方式，而我们不知道这些物质是否可以用另一种方式构成。 迄今为止我们所发现的只是微观层面上构成宇宙的唯一方式，或者说还有很多其他不同的版本。
简而言之，我们知道宇宙如何运作的 5%，但我们不知道它为什么会这样运作。 有些人可能认为这样的问题毫无意义。 宇宙就是这样组合在一起的。 即使方法存在，我们也永远不会知道，但我们人类好奇心很强，必须深入探究才能找到事物的答案。 科学的进步也在这种不断的探究中层层推进。 如果继续下去的话，我们一开始就没有提问的精神。 也许当我们达到分子水平时我们就停下来了。 对于大多数人来说，这个答案可能没那么重要，但是对于物理学来说，这个问题却非常重要。 物理学家必须将宇宙分解到无法再分解为止，并找到最小的粒子，直到无法再分解为止。 一旦物理学家发现了这样的基本例子，物理学家就会仔细研究这些粒子是如何通过什么样的规则来构造我们的宇宙的，以及如何理解一切事物运作的方式？ 科学家们心中有一个梦想，那就是把宇宙划分到底层一定是非常简单的。 到目前为止，夸克和轻子已经被发现，但我们并不确信我们已经将宇宙切成了最小的部分。 话虽如此，我们不能说我们完全没有线索。 这个线索在哪里？ 我们目前发现的这些基本粒子可以放在一张表中。 这张表与我们熟悉的“元素周期表”非常相似。 经过一个多世纪使用粒子对撞机的研究，物理学家发现了这 12 种基本物质粒子。
基本粒子
这12种基本粒子分为（三列/四行），每一列都是一代基本粒子（第一列称为“第一代基本粒子”，第二列称为“第二代基本粒子”，第三列称为“第三代基本粒子”），这些粒子的顺序也是从第一代到第三代逐渐被发现的。
?第一代基本粒子：
它们是“上夸克（u），下夸克（d），电子（e），电子中微子（νe）”。
?第二代基本粒子：
它们是“粲夸克（c）、奇异夸克（s）、μ子（μ）和μ子中微子（νμ）”。
?第三代基本粒子：
它们是“顶夸克（t）、底夸克（b）、τ子（τ）和τ子中微子（ντ）”。
图解：12种基本粒子
这张表非常重要。 它隐藏着一个惊人的秘密。 让我们回顾一下人类探索宇宙构成的过程。 最早的人们认为宇宙是这样组成的：（把古人的这些材料想象成一张桌子）
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宇宙是由恒星、星云、行星、你、我、山川、海洋、植物、动物、石头等组成的，虽然是一张完整的表格，但是这张表格没有任何用处，因为这张图没有显示任何东西基本信息并不向我们揭示任何内在规律，它只呈现最明显的对象。
02
古希腊人提出了一个更简单的表格，包含四种元素：水、土、空气和火。
插图：（左上：土）、（右上：水）、（左下：空气）、（右下：火）
03
东方人也提出了类似的表。 这张桌子有五行，分别是金、木、水、火、土。 这一时期的人们认为，宇宙中的一切事物都是由这些基本元素按不同比例组成的。 一起来。
04
现在我们知道这些想法是错误的，或者不准确的，但是古人至少朝正确的方向迈出了一步，那就是通过宇宙图像来简化人类对整个宇宙的描述，后来人们发现了星星、石头、土壤、水、火都是由原子组成的。 后来，人们发现原子是由更小的粒子组成的，比如质子和中子，它们可以继续分裂成更小的粒子“夸克”。
“基本粒子”和“元素周期表”隐藏着规则
我们熟悉“元素周期表”。 当古人发现元素周期表时，他们并不知道原子实际上是由更小的电子和质子组成的。 如果你仔细看一下现在的元素周期表，你会发现元素周期表有一面。 一侧的元素非常容易发生化学反应，而另一侧的元素则不易发生化学反应。 不易发生化学反应的一侧一般称为“惰性元素”。 类似地，具有相似位置的元素，例如金属元素或气体元素，具有相似的性质。 这些模式为我们提供了一条线索，即元素周期表在最基本的层面上并不存在粒子。
插图：元素原子性质
?示例：
如果元素周期表上的每一个元素都已经是不可分割的粒子，那么它们各自的性质应该是随机的初中化学元素周期表，不应该形成某种规律。
这就像喝一杯草莓味奶茶和一瓶芒果味奶茶一样。 虽然味道不同，但质感却很相似，所以你会猜测这两杯奶茶绝对不是最基本的元素单位。 ，一定还有一些更基本的元素组成它们。 它们有一部分是相似的，而另一小部分又是不同的，所以它们表现出这种规律性的相似性。 那么组成这两杯奶茶的比较基本的元素，元素相同的部分就是水，不同的部分就是里面添加的香料。 虽然你可能找不到比奶茶级别更低的水和配料这些基本元素，但你也可以通过这种相似性来做出这样的猜测。 。
同样，科学家在查看元素周期表时注意到了这些模式，因此科学家开始思考它们背后隐藏的东西。 后来，他们发现了元素周期表的规律。 元素周期表的规律主要与电子轨道的排列有关。 方法，这个知识我们就不再复习了。 大家在中学的时候就已经学会了。 我们还知道元素周期表上的每个位置都必须有一个元素。 只要将适当的“中子、质子、电子”放在一起，就一定会得到某种元素。 即使这个元素还没有被发现，只要元素周期表上有空位，这个元素迟早会被发现。
回顾了人类发展史，我们还重点关注了元素周期表。 现在回顾一下目前列出的这些基本粒子的表格。 如果你研究前面提到的粒子表，你也会发现类似于元素周期表的规则。 发现了两种不同的物质粒子“夸克和轻子”。 每列有两个“夸克”和两个“轻子”。 夸克会受到强和力的影响，而轻子则不会受到强和力的影响。 。
构成常规物质的粒子都位于第一列。 第二列和第三列中的颗粒与第一列非常相似。 前两个是夸克，后两个是轻子。 每列中的某个粒子是与同一行中的其他粒子具有相似属性的粒子。 这些性质包括它们可以参与的基本力的相互作用。“夸克”粒子可以参与强力，而轻子则不能参与强力。
每排粒子所带的电荷也相同。 第一排的上夸克、粲夸克和上夸克所带的电荷为+2/3，第二排的下夸克、奇夸克和底夸克所带的电荷为+2/3。 电荷为-1/3，第四行电子、μ子和τ中微子携带的电荷为-1，第三行所有电子中微子、μ子中微子和τ中微子携带的电荷为0。
几十年前，这个示例表并不完整，并且尚未发现几种类型的夸克和轻子。 然而，当时的物理学家注意到了表中的规则，并利用这个规则来预测缺失的粒子。 。 物理学家多年来就知道应该存在第六种夸克，因为桌子为这种粒子留下了一个空位置。 20年后，这个粒子终于被发现，并填写了这个表格。
在元素周期表中，原子的质量和性质是非常重要的线索。 我们可以从不同原子的质量看出规律，通过它们所带的正电荷，我们可以推断出每个原子的原子核中含有多少个质子和多少个质子。 中子，因为质子带正电荷，而中子不带正电荷。
插图：元素周期表和电负性表
在基本粒子表中，每个粒子也表现出质量递增的变化，但它们不像元素周期表中的变化那么规律。
夸克与轻子不同。 它们有奇怪的分数电荷。 第一行是+2/3，第二行是-1/3。 以正确的方式混合上夸克和下夸克，你就会得到质子。 或者中子。
?例：（上夸克的电荷为+2/3，下夸克的电荷为-1/3）
2个上夸克+1个下夸克[2/3+2/3+(-1/3)=+1]是一个质子。
1个上夸克+2个下夸克[2/3+(-1/3)+(-1/3)=0)是一个中子。
表中第四行第一列的电子的电荷正好为-1，因此由质子、中子和电子组成的原子的电荷正好为0，原子(0)=质子(+1)+中子( 0) + 电子 (-1)。
如果夸克的电荷多一点或少一点，那么质子的正电荷就无法平衡电子的负电荷，就不会有稳定的中心原子。 如果没有这些完美的-1/3和+2/3电荷，我们人类就不会存在，甚至整个宇宙也不会存在。
插图：原子结构示意图
一个粒子可以携带多少电荷，它不应该是随机的吗？
根据目前的理论，粒子可以携带任何大小的电荷，但夸克和轻子严格携带它们应该携带的电荷。 不幸的是，我们不知道这是为什么。 也许其他行星上的夸克如果轻子不碰巧携带这些电荷，生命肯定不会在那些行星上诞生。
在元素周期表中发现了某种特殊的模式。 元素周期表底部一定还有更多的基本粒子。 基本粒子表中所示的规则也可以具有相同的更基本粒子。 也许费用平衡意味着还有另一条线索。 也许这些不同的粒子是由更小、更基本的粒子以不同的方式组合在一起组成的，从而拼凑出如此完美的电荷承载能力。
以上是目前最前沿的情况。 已发现12种基本粒子，其中3种有用，另外9种暂时无用。 所谓无用，是指我们还不知道这9种粒子能形成什么样的粒子。 物质，它们似乎是单独存在的，或许这就是答案。
插图：红圈为：12种基本粒子
结论·《标准模型》
大粒子可能毫无用处，因为它们无法合成质量最小的稳定粒子，即质子、中子和电子。 我们的宇宙主要由上夸克、下夸克和电子等最轻的粒子组成。 也许在宇宙中这些大粒子在更小、更热的时候是有用的初中化学元素周期表，但现在它们只是宇宙冷却过程中剩下的粒子。 科学家们仍在试图了解宇宙的这5%，而我们对物质的本质仍然没有透彻的了解。 12种基本粒子不能再细分了吗？ 这12种基本粒子到底分完了吗？
但与暗物质和暗能量不同的是，目前这个问题的探索已经有了非常坚实的基础。 物理学家将这 12 种基本粒子称为“标准模型”。 这些都是有现实依据的，可以通过实验和观察来验证。
将这个实体“标准模型”视为地图。 在它的指导下，我们将不断拓展人类知识的边界，通过基础研究发现新的粒子。 因为这些新粒子的发现，才有可能通过它们获得更完整的信息。 宇宙地图。
暗物质可能由我们尚未发现的粒子组成。 在发现新粒子的过程中，问题包括它的组成和运行规则。 通过研究它们，我们可以更深入地了解常规物质的组成。 我们必须明白，宇宙越小越好，越基本越好。 这就是为什么现在的科学家花那么多钱建造“粒子对撞机”。 通过这个想法，我们可以进一步探索那些对常规物质没有影响的事物。 粒子或者一些具有明显作用的现象，会在不断发现新粒子和新的组成方法的过程中找到新的答案，这将改变我们对宇宙的看法。