《易经》宇宙探秘

四、组成八卦的爻和组成物质的夸克

物质是由基本粒子组成的。物质的变化和运动，是造成宏观宇宙千变万化的原因。《易经》中爻与卦的关系与此类似。

为了衬托伏羲用简洁的阴、阳二爻组成八卦的智慧，让我们来看人类认识物质是由最小的粒子夸克组成的曲折故事。

古人对物质的探索

与我们的祖先将宇宙中的物质分为金、木、水、火、土五大类一样，古印度人将宇宙物质分为水、地、风、火。

古希腊的亚里士多德则认为，宇宙中所有物质是由土、水、空气和火四种元素组成的，分别对应着下沉和上升的力。亚里士多德还认为物质是连续的，可以无限制地分割成越来越小的块。这就是说，人们永远无法得到一个不可再分割的最小物质颗粒。

古希腊还有另外一些人，如约公元前500年的留基伯和他的学生德谟克里特认为，在这个不断变化的世界中，一定有某些存在物是永久不变、必不可少的。也就是说，世界是由极微小的、不能再分的物质组成的。他们将这种存在物称为“原子”(希腊文的“原子”就是“不可再分”和“第一”的意思)。原子在无限的真空中处于永恒的运动状态，一切物体部是由于原子的偶然碰撞形成的。

道尔顿和原子

到欧洲文艺复兴时期，伽利略和牛顿等许多科学家支持原子论。在18世纪中叶，瑞士数学家丹尼尔·伯努利还利用原子解释气体的特性。

1803年，英国有个叫约翰-道尔顿的化学家指出，化合物总是按一定比例结合而成的。这使原子成为化学的基础。这个事实被看作是“物质分子的单元是原子”的最早证据。

另一个有利于原子论的证据是，麦克斯韦把粘滞性与分子行为联系起来。

19世纪60年代，德国物理学家路德维希·玻尔兹曼，通过原子概念解释热的性能，以提高热的经济价值，即提高蒸汽机的效能。玻尔兹曼用原子论还解释了“永动机”不可能实现的理由。

1905年，爱因斯坦在发表狭义相对论的前几个星期，在另一篇文章中指出，悬浮在液体中的尘埃小颗粒的无规则的随机运动，即所谓“布朗运动”是液体原子和尘埃粒子碰撞的效应。

1907年，丁·佩林用实验证实原子确实存在。

至此，人们知道物质的最小单元是分子，分子是由原子组成的。

玻尔兹曼和他的墓碑

实际上，原子的问世没有这么顺利。当时的一些科学权威，如德国著名哲学家和物理学家厄恩斯特·马赫、著名化学家弗里德里希·奥斯特瓦尔德等人，不接受原子的说法。他们认为，谈论永远观察不到的东西毫无意义。玻尔兹曼为此与他们进行了长期的论战和争辩。

1872年，玻尔兹曼运用原子概念解释了蒸汽机的热能为什么总是遭到浪费的原因，那是因为蒸汽机中的蒸汽原子在高速运动时，总是要发生随机碰撞，这样，速度较快的会把自己的一些能量传给速度较慢的，最终达到能量一致；同时因摩擦和噪声损失一些能量，还有一些能量散发到周围空气中去了。

由于是大量原子参与，无法对每一个原子进行描述。玻尔兹曼就运用他的朋友约瑟夫·罗史密茨提出的统计学方法来描述所有原子的整体行为。现在这被称为“玻尔兹曼方程”。玻尔兹曼方程解释了气体和液体许多特性的机理。但是，由于玻尔兹曼方程破坏了时间的对称性，在1876年遭到罗史密茨的批评。

这是怎么回事呢?原来，玻尔兹曼在用他的原子论洞察宇宙的性质时，发现时间总是从过去流向未来，存在着“时间箭头”。玻尔兹曼方程正是原子行为与“时间箭头”二者之间的联系。

到1896年，普朗克的年轻助手泽梅洛，根据彭加勒的回归论(每一个孤立系统迟早会回到它的初始状态)，也对玻尔兹曼提出批评。这使玻尔兹曼彻底放弃通过力学寻找时间箭头的方法。

但仍全力用原子论揭示哪种过程可能发生、哪种过程不能发生，如热物体可自然变凉，而凉物体不能自然变热；打碎的鸡蛋不可能复原等等。这就是“熵”的概念。大自然总是不愿意让熵减少，说明创造无序(熵增加)远比创造有序(熵减少)容易得多。这是一个关键性的突破，使量子力学开始冲进牛顿物理学领域。

马赫和奥斯特瓦尔德对玻尔兹曼的猛烈的抨击，给玻尔兹曼造成巨大的压力。到1902年，与他一起创立热力学的克劳修斯和麦克斯韦已经去世。接着，他母亲的去世和11岁儿子的早逝，使玻尔兹曼患上了严重的忧郁症。在筋疲力尽之后，于1906年9月5日自杀。

一年后，玻尔兹曼孜孜以求的原子得到证实。两年后，由于原子存在的证据已如此确凿，就连奥斯特瓦尔德也承认玻尔兹曼是对的。

为了纪念玻尔兹曼的杰出贡献，人们在他的墓碑上刻上了他的方程式。

发现电子和中子

那么，原子又是由什么组成的呢?也就是说，原子能不能再分割呢?

还是在1905年爱因斯坦发表解释布朗运动的那篇文章的前几年，即1898年，英国剑桥大学三一学院的汤姆逊，通过演示证实电子的存在。在演示中，电子是由一根红热的金属丝发出的，它由电场加速，打在涂有磷光物质的屏幕上，发出闪光。这种电子的质量，只有最小原子质量的千分之一。这使人们意识到，电子必然是从原子中发射出来的。

1911年，新西兰出生的英国物理学家恩·卢瑟福发现，从放射性原子释放出的带正电荷的小粒子(即质子)，与原子碰撞时会引起偏折，他分析这些偏折后认为，物质的原子是由带正电荷的核和绕着它转的一些电子组成的。卢瑟福认为，原子核好比太阳系中心的太阳，而电子则像在固定轨道上绕着太阳公转的行星。这就是有名的“原子的太阳系模型”。

那么，原子核又是由什么组成的呢?起初，人们认为原子核是由电子和不同数量的质子组成的。

1920年，卢瑟福预言原子核中可能有中性粒子存在。

1929年，为了研究原子核的组成，尔尼斯特·罗伦斯建造了第一座回旋粒子加速器。

1932年，卢瑟福的一位同事和追随者詹·查德威克，用v粒子撞击铍产生了中性粒子(放射线)，证实了卢瑟福的预言。

后来，这种中性粒子被命名为“中子”。中子不带电，质量与质子一样大。查德威克因发现中子获得1935年诺贝尔物理学奖。

源自魔球

至此，人们认识到原子是由原子核与核外电子组成的，而原子核又是由质子和中子组成的。原子核带正电，周围是电场，电场的电磁力使带负电的电子无法逃脱，它们由电磁力结合在一起。

像神奇的魔方一样，原子是一个神奇的魔球。不同数量的电子、质子和中子的组合，构成94种化学元素。最简单的是氢，它的原子核只有一个质子，核外一个电子。最复杂的元素是钚，原子核中有94个质子和94个中子，核外94个电子。在元素周期表中，钚以后为人造元素。

原子的神奇还在于，宇宙中的所有物

质，包括生命、恒星、行星上的岩石、矿物、土壤和空气等等，都是由94种元素分别组成的。

这样看来，宇宙中的物质，说到底，是由电子、质子和中子组成的。所以电子、质子和中子又被称为“基本粒子”，又由于它们是比原子更小的粒子，所以又叫“亚原子粒子”或“次原子粒子”。

原子的质量集中在原子核上，质子和中子的质量都是电子质量的1836倍，即10-24克。原子核的直径为1万亿分之一厘米(10-12厘米)，原子的直径，即电子云延伸的距离为1千万分之一厘米(10-7厘米)。

至此，人们知道物质的最小单位是分子，分子是由原子组成的，原子是由质子、中子和电子组成的；不同数量的质子、中子和电子，形成不同性质的元素；不同性质和数量的元素，以不同的方式排列，形成千千万万不同的物质。

中微子问世

1931年，一个叫沃尔福根·泡利的物理学家在研究原子核的B衰变时，根据其能量和动量不守恒的情况，从理论上预见到存在一种极其微小的中性粒子。

1933年，另一位物理学家E·费米预测到这种粒子的性质和它与物质极微弱的交互作用。

大概是由于泡利和费米都认为这种粒子是不带电的中性粒子，质量又极其微小，所以取名为“中微子”。

理论上，中微子的静止质量可能为零。无电极，有携带能量、线动量和角动量的能力，但几乎不与任何物质作用。预计能量为3微伏的中微子，能穿过天文厚度的物质，如100光年厚的液氢，穿过地球更是轻而易举。

由于中微子具有很高的穿透本领，所以一般很难被探测到。直到1956年，洛斯。阿拉莫斯实验室的一组物理学家才在实验中观测到一种反中微子，证实了理论预言。

现在知道，至少有6种中微子，即电中微子、“中微子和r中微子以及它们的反粒子。

研究表明，有几种实验过程可以产生中微子：

一是原子核的衰变，其第一步由原子核的b衰变产生反电子中微子；第二步由反b过程产生中微子；

二是用电子与原子核相撞，产生正、反中微子对。这就是原子核的“中微子辐射”；

三是光生中微子，即用v射线光子与电子碰撞，可发射出正、反中微子对；

四是让正、反电子对湮灭，产生正、反中微子对；

五是等离子体可衰变为正、反中微子对。

研究表明，在宇宙大爆炸早期物质产生时有大量的中微子产生，由于中微子与其它物质的相互作用非常微弱，所以它们至今仍弥漫在宇宙空间。

研究和探测表明，在进行核聚变反应的恒星内部也会产生中微子。恒星内部产生的中微子，除某些特殊情况外，它们可以不受阻碍地跑出恒星。对恒星发射的中微子进行探测，可以获得有关恒星内部的信息。在恒星演化的晚期，中微子起着重要作用。恒星由于发射中微子，而被带走大量能量，加快了恒星的演化进程和缩短了恒星演化的时间，这对新星爆发和中子星的形成可能起关键作用。

2000年7月，t中微子被发现。

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