互动科普

我们生活的世界是由什么构成的？基本粒子物理学一直在坚持不懈地努力，试图破解这一终极难解之迷。对基本粒子物理学来说，狭义相对论也是必不可少的。

人体由碳原子、氧原子等构成。如果把这些原子放大的话，就会发现它们都是由质子、中子和电子构成的。如果进一步“窥视”质子与中子内部的话，就会看到它们是由上夸克和下夸克构成的。基本粒子是构成物质的最小最基本的单位，不可再分割。上夸克、下夸克和电子都是基本粒子。

研究表明，上夸克的质量大约为电子的5倍，下夸克的质量大约为电子的10倍。质子由2个上夸克和1个下夸克组成。正常加法计算的话，质子的质量应该为电子的20倍（5 +5+10）。实际上，质子的质量却高达电子的1850倍。也就是说，夸克自身的质量仅仅占质子质量的大约1%。那么，其余99%的质量来自哪里呢？

研究表明，其余的质量来源于夸克的动能以及把夸克“束缚”在一起的强力的能量。夸克之间的距离越远，它们之间的强力越大。可以说，3个夸克就像用弹簧紧紧地拴在一起。在强力的“束缚”下，3个夸克无法彼此分散开，而以质子的形式存在。

此外，夸克被强力“束缚”在一起的同时也在高速运动。因此，质子中不仅有来自强力的能量，还有夸克自身的动能。根据狭义相对论的质能公式E=mc²，能量与质量是等效的。因此，这些被束缚在质子中的能量外在表现为质量而被测量到。99%的质子质量都是由这些能量转化而来的。

图1. 把3个夸克结合在一起，形成质子和中子的力。图中用弹簧表示强力。强力虽然比电磁力强100倍左右，但是其作用距离非常短，只有大约1万亿分之1毫米，因此，在日常生活中我们完全感受不到它的存在。

根据狭义相对论，用加速器生成新的基本粒子

2012年，欧洲大型强子对撞机（LHC）实验发现了一种新的粒子，它就是全世界的物理学家长期以来苦苦寻找的希格斯粒子。

LHC是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，坐落在瑞士日内瓦近郊，横跨瑞士和法国的边境，深埋于地下100米，拥有27千米长的环形隧道。像LHC这样的粒子加速器可以将粒子加速到接近光速，并使其与静止的标靶粒子相撞或粒子彼此对撞，从而调查基本粒子的运动规律。利用电磁力，LHC能够将质子加速到光速的99.9999991%。

设想一下，当质子被加速到如此高的速度时，会出现怎样的情形？如前所示，当质子以接近光速运行时，它的表观质量将增大。例如，质量为1克的物体被加速到光速的99%时，表观质量大约为7.1克。当加速到光速的99.9999991%时，表观质量约为7.45千克。质量变大意味着更加难以加速。而且，质量变大后，粒子更加难以转弯。因此，LHC等加速度器不仅在计算中加入了质量变大这一因素，还对所施加的电磁力进行有效控制，以便将粒子适当加速，并让其在装置内顺畅运行。

可是，为什么必须把质子加速到如此高的速度呢？寻找未知的基本粒子是最大的一个目的。当加速后的质子彼此相撞时，撞击时的能量将生成质子中原本没有的新的基本粒子，并使其四处飞散。

由于能量与质量是等效的，因此，通过将加速后的质子所携带的能量转化为质量，可以生成新的较重的基本粒子。物理学家期待已久的希格斯粒子（一种基本粒子）就是通过这种方式被发现的。如今，研究人员正在进行更多的实验，希望能发现各种新粒子。

发现了观察微观世界的梦想之光同步辐射

电子、离子等带电粒子加速、减速或转弯时，会辐射光（电磁波），这就是同步辐射。通常情况下，同步辐射是向所有方向球形辐射的，不过，带电粒子的运动速度越快，辐射方向越集中在粒子行进方向上极其狭窄的一个区域内。辐射范围变窄意味着只有这里变得更加明亮。辐射光的方向发生改变这一现象是基于狭义相对论而产生的。

中国大型同步辐射设施上海光源坐落上海张江高科技园区，是一个环形加速器，电子储存环周长432米（能量3.5GeV），可以把电子加速到接近光速。上海光源利用电磁力来改变电子的行进方向，从而将电子拥有的部分动能转变为同步辐射光。不过，这里所说的光是波长非常短的X射线。要想看到微小的物体，高亮度的X射线必不可少。

图2. 发光亮度相当于最强X光机的上亿倍

当电子被加速到接近光速时，根据相对论性效应，光的辐射域变得非常狭窄，导致亮度非常高。

利用短波能看到更加微小的物体

利用光看物体时，有一个无法逾越的界限——从原理上来说，无法看到小于所用光半波长的物体。例如，可见光（人眼能直接看见的光）的波长介于360～830纳米（1纳米为100万分之1毫米）。原子的大小约为0.1纳米，不管如何提高光学显微镜（利用可见光观察微小物体）的精度，也无法看到原子那么小的结构。另外，X射线的波长介于1皮米～10纳米（1皮米为10亿分之1毫米），从原理上来说，利用X射线能看到更加微小的物体（大小介于光学显微镜所能看到最小物体的100分之1～100万分之1）。

基于发展了的狭义相对论理论，预言存在反粒子

从20世纪初期到中期，原子及原子内部结构的研究获得了长足的进步，与此同时，量子力学的研究也有了飞跃性的提高。量子力学是研究物质世界微观粒子运动规律的理论。奥地利理论物理学家埃尔温·薛定谔（1887～1961）提出了著名的薛定谔方程，为量子力学奠定了坚实的基础。不过，薛定谔方程并没有引进狭义相对论，因此有一些地方与狭义相对论相矛盾。

1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（1902～1984）提出了狄拉克方程，从而化解了狭义相对论与薛定谔方程之间的矛盾。在这一过程中，狄拉克还从理论上预言了存在“与普通粒子质量相同、电性相反的粒子”，即反粒子。例如，电子带负电，新预言的粒子质量与电子完全相同，但是却带正电。此外，狄拉克还认为“当注入巨大能量时，粒子与反粒子必定成对产生”以及“粒子与反粒子相遇后，两者将相互抵消并释放出巨大的能量（湮灭）”。

图3. 粒子与反粒子诞生于光能

当能量转化为质量时，必定会成对生成粒子与反粒子（对产生）。反过来，当粒子与反粒子相遇时，必定会释放出能量，成对消失（湮灭）。

反粒子从天而降！

当时，许多科学家都对反粒子的存在持怀疑态度。令人欣喜的是，在狄拉克预言存在反物质4年之后的1932年，美国物理学家卡尔·安德森（1905～1991）实际观测到了电子的反粒子——正电子。当时，安德森从事宇宙射线的观测研究，希望弄清楚宇宙射线里到底含有什么粒子。质子、氦原子核等粒子在浩瀚的宇宙空间里高速飞来飞去，这就是宇宙射线。这些粒子与地球的大气相遇后，会生成各种新粒子。在观测中，安德森发现了一种从未见过的粒子——正电子。从根本上来说，宇宙射线与大气相遇后产生新的粒子与在加速器中生成新粒子是同一现象。

前面所介绍的核裂变反应中，转化为能量的质量仅占反应前质量的大约万分之8。然而，反粒子与粒子相遇后，两者发生湮灭反应，质量全部转化为能量（根据质能公式E=mc²）释放出来。湮灭是质能转换效率非常高的反应。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）