也許，大家會對宇宙的深邃和自己的渺小感到一絲的恐懼，我們只是生活在5%最常規的物質世界裡面，但是對於已知的這5%，我們也不是完全瞭解，我這麼說你可能會感到有點詫異，畢竟我們的科學探索已經這麼先進了，但是我不得不告訴你，我們的基礎科學還有很多事情沒有做，還有很多問題沒有搞清楚答案，構成我們的世界最基本的粒子到底是什麼，現在聊聊目前最前沿的科學發現最小的基本粒子及深度解析。
基本粒子存在的意義
經過了日復一日的探索，目前發現了12種物質粒子，絕大多數都是從高能粒子對撞機裡撞出來的，這12種粒子裡有6種被稱為“夸克”，英文名是“Quark”，剩餘的6種被稱為“輕子”，英文名是“ lepton”，正好是一樣一半，但是可別以為我們這個世界就是由這12種基本粒子組成的，事實上組成我和你周圍一切事物只需要上面12種粒子中的3種就夠了，它們是2種夸克和1種輕子，這2種夸克的名字，叫“上夸克”和“下夸克”，另外一種構成物質的“輕子”就是我們所熟悉的“電子”。
在上中學的時候，我們瞭解到物質的物質的最小單元是“原子”，原子外面繞著電子不同質量的原子核，加上不同數量的電子，就構成了元素週期表裡不同的元素，再往下細分，“質子”和“中子”，就是由上夸克和下夸克構成的。基本元素分成原子核和它外面的電子，原子核裡面有質子和中子，把質子和中子再細分下來就看到上夸克和下夸克。
上夸克、下夸克和電子已經完全足夠構成我們一切的宇宙了，那剩下的9種粒子是幹什麼用的呢？它們為什麼存在呢？
遺憾的是，對於這些問題目前還真的不知道答案，宇宙是通過三種最小的基本粒子構建出來的，通過它們的各種排列組合，就可以把它們組成原子，再通過原子組成分子，然後通過分子組成複雜的物體，比如恆星，行星，地球上一切的動物，也包括你和我，我們對這些比較非常熟悉，但是我們不知道為什麼偏偏是由12種基本粒子裡面的3種，按照這種方式組成我們的宇宙，也不知道這些物質能不能按照另外一種方式把它們組成起來，目前我們發現的是宇宙在微觀層面唯一的組合方式還是存在著很多其他不同的版本的。
簡而言之，我們知道了5%的宇宙如何運轉，但不知道它為什麼要這樣運轉，有些人可能會覺得這樣的問題根本就沒有意義，宇宙就是通過這種方式組合到一起的，其他的方式即使存在我們也永遠沒有辦法知道，但是我們人類就是這麼好奇就一定要刨根問底，找到事情的答案，科學的進步也是在這種不斷的刨根問底裡一層一層的向前推進的，如果我們一開始就沒有打破砂鍋問到底的精神，可能我們研究到分子這個層面就停下來了，對於大多數人來說，這個答案也許沒有那麼重要，但對物理學上來說這個問題非常的重要，物理學家一定要將宇宙分解到不能再分解，找到那個最小的粒子，直到再也沒有辦法往下分為止，一旦物理學家發現了這樣的基本例子，物理學家就會仔細的研究這些粒子是通過怎樣的一個規則來構建我們的宇宙的，由此來理解萬物的運轉方式，科學家們內心都有這樣一個夢想，就是宇宙劃分到底層一定是非常簡潔的，目前已經找到了夸克和輕子，但是並不確信已經把宇宙切成了最小的部分，話說如此，我們也不能說我們完全沒有線索，這個線索在哪呢？就是我們目前發現的這些基本粒子，它能拼成一張表格，這張表格非常像我們熟悉的“元素週期表”，在利用粒子對撞機，研究了一個多世紀之後，物理學家們發現了這12種基本物質粒子。
基本粒子
這12種基本粒子被分為了（三列/四行），每一列是一代的基本粒子（第一列就叫做“第一代基本粒子”，第二列就叫做“第二代基本粒子”，第三列就叫做“第三代基本粒子”），這些粒子的順序也是從第一代到第三代逐步發現的。
♤第一代基本粒子：
它們是“上夸克 (u)、下夸克 (d)、電子 (e)、電子中微子（νe）”。
♡第二代基本粒子：
它們是“粲夸克 (c)、奇夸克 (s)、繆子 (μ)、繆中微子（νμ）”。
♧第三代基本粒子：
它們是“頂夸克(t)、底夸克(b)、陶子 (τ)、陶中微子（ντ）”。
圖解：12種基本粒子
這個表格是非常重要的，它裡面藏著一個驚人的秘密，讓我們回顧一下人類對宇宙是怎樣構成的這件事情的探索過程，最早人們認為宇宙是這樣構成的：（把古人的這些物質想象成一張表格）
01
宇宙是由恆星、星雲、行星、你、我、山、河、海、植物、動物、石頭等等，雖然它是一幅完整的表格，可是這張表格並沒有用處，因為這張圖沒有呈現任何基本的信息，也沒有向我們揭示什麼內在的規律，它只是呈現了最顯而易見的物體。
02
古希臘人提出了一個更簡單的表格，這張表格裡有4種元素，它們分別是水，土，空氣和火。
圖解：（左上：土）、（右上：水）、（左下：空氣）、（右下：火）
03
東方人也提出了一個類似的表格，這張表格有5個元素，它們是金，木，水，火，土，這個時期的人們都相信宇宙萬物都是由這些基本的元素通過不同的比例組合到一起的。
04
現在我們知道這些想法是錯誤的，或者說是不精確的，但是古人至少往正確的方向上邁出了一步，也就是通過一張宇宙圖像來簡化人類對整個宇宙的描述，再後來人們發現恆星、石頭、土壤、水、火都是由原子組成的，再後來人們又發現原子是由更小的粒子組成的，比如質子和中子，這些還可以繼續分成更小的粒子“夸克”。
“基本粒子”與“元素週期表”隱藏著規律
我們所熟知的“元素週期表”，當古人發現元素週期表的時候還不知道原子實際上由更小的電子和質子構成的，仔細看現在的元素週期表，你會發現元素週期表有一側的元素非常容易發生化學反應，而另外一側的元素則不太容易發生化學反應，一般把不太容易發生化學反應的那一側叫做“惰性元素”。同樣，位置相近的元素，比如金屬元素或者氣體元素，它們具有類似的性質，這些規律向我們提供了一個線索，就是元素週期表呈現的並不是最基本層次的粒子。
圖解：元素原子屬性
☞舉例說明：
如果元素週期表上面每一個元素都已經是不可再分的粒子了，那它們各自呈現的性質應該是隨機的，而不應該形成某一類的規律。
這就好比你喝了一杯草莓味的奶茶，又喝了一瓶芒果味的奶茶，它們嚐起來雖然有區別，但是口感非常相似，於是你就會猜這兩杯奶茶肯定不是最基礎的元素單位，肯定有什麼更基礎的元素組成了它們，它們的某一部分彼此相似，另外一小部分彼此不同，所以它們才會呈現出這種有規律的相似性，那組成這兩杯的奶茶更基本的元素相同的部分就是水，不同的部分就是裡面加的香料，雖然可能你發現不了比奶茶更低層面的水和配料，這些基本的元素，但你通過這種相似性也能夠做出這種猜測。
同樣科學家在看元素週期表的時候也注意到了這些規律，於是科學家就開始思考這背後一定藏著什麼東西，後來他們就發現元素週期表的規律，元素週期表的規律主要關乎於電子軌道的排列方式，這個知識我們就不重新複習了，大家都在中學學習過，我們還知道元素週期表上每一個位置都肯定有一個元素。只要把合適的“中子、質子和電子”放在一起，就肯定能得到某一個元素，即便是這個元素還沒有發現，但是隻要元素週期表上有一個空位，就遲早能找到這個元素。
回顧了人類發展的歷程，又重點說了元素週期表，現在回看一下目前這些基本粒子所列出的這個表格，研究一下前面所說過的粒子表格也會發現類似元素週期表的規律，會發現兩種不同的物質粒子“夸克和輕子”，每一列都有兩個“夸克”和兩個“輕子”，夸克會受到強合力的作用，而輕子不會受到強和力的作用。
構成常規物質的粒子都位於第一列，第二列和第三列每一列的粒子都和第一列很像，它們都是前兩個是夸克，後兩個是輕子，每一列的某個粒子和它所在的同一行的其它粒子都有相類似的性質。這些性質包括它們能參與的基本力的相互作用，“夸克”粒子能參與強合作用力，而輕子不能參與強合作用力。
每一行的粒子所攜帶的電荷也是一樣的，第一行的上夸克、粲夸克和上夸克，它們所攜帶的電荷是+2/3，第二行的下夸克、奇夸克和底夸克攜帶的電荷是-1/3，第四行電子、繆子和陶子攜帶的電荷是-1，第三行所有的電子中微子、繆中微子、陶中微子攜帶的電荷都是0。
幾十年之前這張例子表格還並不完整，有幾種夸克和輕子還沒有被發現，不過當時的物理學家們就注意到表格的規律，於是就通過這種規律預示了缺失的粒子。很多年前物理學家就知道應該有第6種夸克存在，因為這張表裡為這個粒子留下了一個空缺的位置，過了20年這種粒子終於被發現了，並且把它填進了這張表格。
在元素週期表裡，原子的質量和性質是非常重要的線索，從不同原子的質量裡看到了規律，又通過它們攜帶的正電荷推斷出每種原子的原子核裡都包含多少個質子，多少箇中子，因為質子帶一個正電荷中子不帶。
圖解：元素週期表&電負性表
在基本粒子表格裡，每種粒子也呈現了質量越來越大的變化，只不過它們沒有元素週期表的變化那麼有規律
夸克和輕子不一樣，它們有奇怪的分數電荷，第一行是+2/3，第二行是-1/3，把上夸克和下夸克以正確的方式混合在一起，就能得到質子或者中子。
☞舉例說明：（上夸克的電荷是+2/3，下夸克的電荷是-1/3）
- 例一：
2個上夸克+1個下夸克【2/3+2/3+（-1/3）=+1】，就是一個質子。
- 例二：
1個上夸克+2個下夸克【2/3+（-1/3）+（-1/3）=0），就是一箇中子。
- 例三：
在表格的第四行和第一列裡面的電子，它帶的電荷又正好是-1，所以由質子、中子和電子組成的一個原子，它的電荷才正好為0，原子（0）=質子（+1）+中子（0）+電子（-1）。
如果夸克的電荷多了一點或者少了一點，那質子的正電荷就不能平衡電子的負電荷，也就得不到穩定的中心原子，如果沒有這些完美的-1/3和+2/3電荷，我們人類就不會存在，甚至整個宇宙也不會存在。
圖解：原子結構示意圖
一個粒子能攜帶多少電荷，這不應該是隨機的嗎？
按照目前的理論粒子可以攜帶任何大小的電荷，但是偏偏夸克和輕子就是嚴格的攜帶它們應該攜帶的那個電荷，很遺憾的是我們完全不知道這到底是為什麼，也或許在其他的行星裡夸克和輕子沒有恰好攜帶這些電荷，那些行星裡肯定就誕生不了生命。
在元素週期表發現了某種特別的規律，在元素週期表的更底層一定有更基本的粒子，基本粒子的表格所呈現的規律或許也會存在同樣的更基本的粒子，也許電荷的平衡意味著另外一條線索。也許這些不同的粒子是由更小更基本的粒子通過不同的方式組合在一起，才拼湊出這麼完美的電荷攜帶量。
以上說的這些就是目前最前沿的現狀了，發現了12種基本粒子，其中3種是有用的，另外9種暫時沒有用，所謂沒有用，就是還不知道這9種粒子能組成什麼樣的物質，它們似乎只是單獨存在，或許這就已經是答案了。
圖解：紅圈為：12種基本粒子
結語·“標準模型”
大的粒子可能就是沒有用處，因為它們不能合成質量最小的穩定粒子，也就是質子中子和電子，我們的宇宙主要就是上夸克、下夸克及電子這種最輕的粒子組成的，可能在宇宙更小更熱的時候，這些大的粒子才派得上用場，現在它們只是宇宙冷卻的過程中存留下來的粒子而已。科學家仍然在努力瞭解這5%的宇宙，我們還是沒有透徹透物質的本質。12種基本粒子是不是就不能再細分了，對這12種基本粒子是不是已經切分到底了？
但是和暗物質、暗能量不同，對於這個問題的探索，目前已經有了一個很堅實的基礎。這12種基本粒子，物理學家把它叫做“標準模型”，這些都是有現實根據的，都是可以通過實驗和觀測驗證的。
把這個結實的“標準模型”當作一張地圖，在它的指引下不斷的拓展人類的知識邊界，通過基礎的研究發現新粒子，因為發現了這些新的粒子，有可能通過它們得到更加完整的宇宙地圖。
暗物質有可能就是由我們還沒發現的粒子組成的，在我們發現新的粒子的過程中問題包括它的組成，它的運行規律，通過對它們的研究就深入瞭解常規物質的組成，一定要把宇宙切分到越小越好，越基本越好，這也就是為什麼現在的科學家花那麼大的代價去建造“粒子對撞機”的原因，通過這種思路我們可以進一步探索那些對常規物質沒有明顯作用的粒子或者一些現象，在不斷髮現新的粒子、新的組成方式的過程中，找到新的答案，將答案中改變我們對這個宇宙的看法。
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我是【黃姤】，天體生物學/帳號創始人，曾經的行政管理員，【科普新星培訓營】95後女學員，今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點贊.評論.轉發.關注互相學習。
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