百科精品:3.1-1:物质粒子和能量子有相同的来源吗?(多图)
宇清
【人民报消息】前面我们谈到了光子。一个光子是多少能量呢?在物理学上有一个公式:E=hν,这个字母ν表示频率。公式表示光子能量和频率的关系。比如红光的频率比较低,那么一个红光光子的能量就低;而紫光频率比较高,表示紫光光子能量比较高。
这样就带来一个问题:同一个频率的光子可以看成相同的能量子,那不同频率的光子就是不同的能量子。光波的频率是从低到高连续的,那这光子不是有无数种吗?怎么能称为「基本粒子」呢?
(一)能量子的来源
我们可以换一种理解:
把一个光子看成是更小的能量小组成的,叫基本能量子,也叫h子,它的能量就写成。一个光子是由多少个h子组成的,它的能量就是多少个。这样一来,就成了下面的对应关系:
表示一个h子的能量,n表示一个光子中所含的h子的数目,E表示一个光子的能量。
这样就很好理解了。光子中所含的基本能量子越多,光子的能量就越大。
 光波(电磁波)中含有电(E)和磁(B)的成分。(AI制图) |
h子构成光子,可以构成许多种,不同的光子中所包含的h子数量是不一样的。光子中所含h子特别少的,叫无线电波,它的穿透能力特别弱,但衍射能力特别强,就是遇到障碍物就拐弯过去,所以我们的手机在房间里也能收到信号。光子中所含h子比较多的,就叫做可见光,我们眼睛可以看到。所含h子特别多的,有X射线和射线,它们的穿透能力就特别强。所有电磁波的家族,就像一个族谱,我们叫做电磁波谱。
目前还有的家庭使用日光灯,日光灯的灯管里边发出的电磁波中其实有大量的紫外线,对人是有伤害的。不过不用担心,在日光灯管上涂有一层荧光粉,它的作用就是吸收紫外线,然后放出可见光,对人就没有伤害了。这个荧光粉的作用,就像是把一根很长的大葱,切成好几根短短的葱段。不同数量的h子,组成了不同的光子。
我们还知道,变化的电场可以产生磁场;变化的磁场也可以产生电场。这样相互产生,就形成了电磁场。电磁场向远处传播,就是电磁波。而光也是一种电磁波。
这样看来,电场、磁场、电磁场和电磁波(光波),它们都是亲戚了,由同样的粒子——h子组成的。
那么,它们之间的转化,就像是化学反应一样,只是h子构成不同的能量子时,结构的改变。这与石墨和金刚石的转变也有类似之处。
同时,无论电场子、磁场子和不同的光子之间如何转化,组成它们的更小的粒子——h子是不变的,这就是能量转化中的守恒。
(二)物质粒子的来源
在现代物理学的标准模型中,认为电子是基本粒子。但同时,又有另外一个现象:就是正负电子对的湮灭:
一个正电子和一个负电子相撞,然后都消失了,而出现了一对能量很大的光子——(伽玛)光子。
如果不是正负电子转化成了光子,那它们哪去了?这违反了物质不灭。
如果光子不是正负电子转化来的?那它们从何而来?这违反了能量守恒。
我们只能认为,电子转化成了光子。
那为什么能转化呢?就像金刚石可以变成石墨,却变不成黄金一样。因为组成金刚石和石墨的下一层粒子都是一样的,都是碳原子。而变成黄金,除非发生核反应。
也就是说,电子和光子有黄同的来源:都是h子组成的。
中子可以变成质子,放出一个电子来;质子也可以变成中子,放出一个正电子来。这又说明,质子和中子也是由h子组成的。
而所有的原子,都是由质子、中子和电子组成;所有的分子都由原子组成;所有的物质都由分子或者原子组成。那么,一切物质都由h子组成,一切能量也都由h子组成。
H子是组成一切物质和能量的「基本能量子」。
如果这样的话,那光子是否可以变成正负电子呢?真可以。
英国科学家做了高能光子碰撞产生正负电子的实验,科学家首先用高能激光加速电子,当电子接近光速后撞击金箔,就可以产生能量更高的光子束。然后科学家把高能光子引入黄金制作的容器中,使两个高能光子发生碰撞,就能产生正负电子被仪器探测到。
在科学的前沿,同一种现象,不同的人会有不同的解读。科学的每一步发展,都是对先前理论的突破,甚至否定。而更新的理论,又是对这个理论的突破。科学就是这样发展过来的。
所以有科学家戏称:科学总是从一个错误走向另一个错误。
如果有人坚持说,哪个理论是牛顿说的,是爱因斯坦说的,怎么可能错呢?回顾科学发展的历史,可以看到,当年牛顿从默默无闻到创立他的学说的时候,他承受的不也是这样的压力吗?当他成名之后,爱因斯坦创立他的相对论的时候,不也有大量的人又利用牛顿的理论来打击爱因斯坦吗?历史的教训太多了。
(三)如何理解?
以水为例。在常温下,水是液态的;温度太低,它就结冰,成为固态;温度太高,它就飘散到空气中,成为气态。水还是水,状态不同而已。
能量也是一样,把它固定成一种结构,它就是物质粒子;像能量场那样的存在,就是「液态」的;像光一样飞出去,就类似于「气态」。
拿螃蟹来比喻。自由爬行的螃蟹就像是能量;用绳子扎起来,不能动了,就是物质。
(人民报首发)
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