宇宙有限论

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§14_4  夸克与反夸克的特殊身份标签

       六味不同夸克（上u、下d、粲c、奇s、顶t、底b），其中有一半出现了“浓味”，以至于其参与合成了复合粒子后，仍保持其“浓味”。
       为此必须对夸克与反夸克设置特殊的“身份标签”，即是赋予三种不同的“量子数”。

       其一为是粲数（charm number）。
       定义粲夸克c 的粲数为+1，反粲夸克c 的粲数为-1，其余五种夸克及其反夸克的粲数为0。
       其二是奇异数（strangeness）。
       定义奇夸克s 的奇异数为-1，反奇夸克s 的奇异数为+1，其余五种夸克及其反夸克的奇异数为0。
       (推测中文名本为奇数，与偶数、奇数混淆，才称奇异数)

       其三是底数（Bottomness）。
       定义底夸克b 的底数为+1，反底夸克b 的底数为-1，其余五种夸克及其反夸克的底数为0。

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       夸克有6种味道，形成（上u、下d、粲c、奇s、顶t、底b）6类。
       夸克还有3种颜色（3个类型的色荷），可形象表达为红、绿、蓝三种类型。
       每种“味”的夸克都具有红、绿、蓝三种“色”中的一种，因此夸克共有6×3=18 种不同的（味, 色）组合子类型。
       反夸克还有3种颜色，表达为反红、反绿、反蓝三种类型。因此反夸克同样有 6×3=18 种不同的（味, 色）组合子类型。
       将反夸克纳入夸克范畴，基本粒子夸克共有36种不同的（味, 色）向量类型。

       红色、蓝色、绿色可分别记为r、b、g；反红色、反蓝色、反绿色，对应分别记为rˉ、bˉ、gˉ 。
       当六味夸克记号同时出现时，后者要采取明显不同的记号，例如夸克q的反粒子记为q （下划线）。

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§14_5  宇宙之间的四种基本力

      四种基本力是引力、电磁力、强核力与弱核力，对应于四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用与弱相互作用。
      其在教科书中的介绍洋洋洒洒，但暂时只需记住最关键的部分：

      强核力是将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子核中的质子和中子束缚在一起 的基本力（可理解为，在夸克构成质子或中子、在质子和中子构成原子核过程中体现的基本力）。
      原子核中、质子之间，存在强烈的电磁斥力（同性相斥），强核力将核子（质子、中子）紧紧束缚在一起。
      例如，氦原子核含两个质子和两个中子，尽管质子间有强烈排斥，但强核力使其异常稳定。
      因此四种力以“强核力”最“强大”，以力的相对强度而已，强核力是电磁力的137倍，是弱核力的10万倍，是引力的10^39倍。

      电磁力是作用于带电荷的粒子（如电子和夸克）之间，包括静止电荷及运动电荷之间的相互作用过程中所体现的力。
      维系原子整体结构的稳定，要依靠电磁力，电磁力使得带正电的原子核与带负电的电子相互吸引，使电子被束缚在核外，形成稳定的原子。
      例如，氢原子中，一个质子与一个电子通过电磁力结合，形成稳定结构。
      按照作用范围，电磁力可达无限远处（但由于随距离平方衰减，遥远处作用可忽略），而强核力的作用范围仅10^(-15)米数量级范围。

      弱核力是弱相互作用过程中所体现的基本力。弱相互作用共有两种。第一种叫“载荷流相互作用”，β衰变就是由它所引起的；第二种叫“中性流相互作用”。
      弱核力的作用范围“最窄”，仅10^(-18)米数量级范围，在“电磁力、强核力与弱核力”三者之间，力的相对强度最“弱”——故称“弱核力”。
      但是，按照物质基本作用的理解，弱核力的本事“最大”，因为弱核力是唯一可使得夸克变“味”（flavor）的基本力——弱核力可以改变基本粒子的“身份”。
      例如弱核力将下夸克变为上夸克，从而实现中子→质子的转化。
      弱核力能破坏宇称对称性（P）和CP对称性，弱核力也是唯一违反这些对称性的基本力。

      任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力（俗称为万有引力），简称为引力。
      引力在四种力中的相对强度最弱，约为强核力的10^(−39)倍、弱核力的10^(−34)倍，在微观尺度可忽略不计。
      不过，引力的作用范围与电磁力一样，可达无限远处（由于随距离平方衰减，遥远处作用可忽略）；
      而由于在大质量天体间，引力无屏蔽效应却又累积效应（因累积而显著），故此成为宇宙演化的主导力量。

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      1967 年温伯格和萨拉姆提出弱电统一理论，认为在高能量下弱力和电磁力表现为同一种力。

      物理学家致力于构建统一理论解释四种力的关联性，其中大统一理论试图统一强、弱、电磁力，超引力理论等尝试将引力场量子化以纳入统一框架 。

      弦理论和M理论有可能是在数学上先实现大统一的理论，假如找到一条试验证实捷径……？

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§14_6   基本粒子费米子

       物质粒子分为基本粒子与复合粒子。
       基本粒子（Fundamental Particles）是构成物质和传递相互作用的最基本单元，其在当前仪器条件下具有不可再分性。
       复合粒子（Composite Particles）由基本粒子通过强相互作用（强核力主导）结合而成、且也是构成物质和参与相互作用的基本单元。

       物质粒子的自旋量子数，或者为半正奇数（如夸克的1/2），或者为非负整数。
       凡是自旋量子数为半正奇数的，称为费米子（Fermions）；凡是自旋量子数为非负整数的，称为玻色子（Bosons）。
       费米子自然有基本粒子费米子,也有复合粒子费米子。

       基本粒子费米子遵循泡利不相容原理，可分为夸克（Quarks）和轻子（Leptons）两大类。
       夸克如前述，夸克与轻子的一种本质不同是轻子不参与强相互作用，夸克参与强相互作用；夸克与轻子均参与弱相互作用和电磁相互作用；
       虽然夸克与轻子均参与引力相互作用，但其引力效应通常可以忽略不计。

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      轻子又再分为两大类：带电轻子和中性轻子。
      带电轻子分为电子（e⁻）、μ子（μ⁻）、τ子（τ⁻），以及三者的反粒子，共6种。
      电子、μ子、τ子的电荷均为-e，反电子、反μ子、反τ子的电荷均为+e。
      6种带电轻子的自旋量子数均为1/2。

      电子、μ子、τ子的一种区别是：电子的寿命为无限长，μ子为2.2*10^(-6)秒，τ子仅10^(-12)~ 10^(-13)秒。
      另一种区别是：电子的质量为0.511MeV，μ子为105.66MeV，τ子为1784MeV。
      质量与寿命为负相关。
      电子与反电子、μ子与反μ子、τ子与反τ电子，均有相同的质量和寿命。

      中性轻子分为电子中微子（ν_e）、μ中微子（ν_μ）、τ中微子（ν_τ）, 以及三者的反粒子，共6种。
      6种中性轻子的电荷均为0，自旋量子数均为1/2，质量均几乎为0，寿命均为无限长。

      中性轻子有个“身份标签”是轻子数。
      轻子数是粒子物理学中表征基础粒子反应平衡的守恒量子数，用L表示。
      在已知的低能物理过程中，反应前后轻子数的代数和保持不变，由此可以计算出L值。
      轻子数L只有+1,0，-1三种取值。

      电子中微子、μ中微子、τ中微子的轻子数均为+1，其三种反中微子的轻子数均为-1。
      通过求解得到的L值，可以界定三种中微子、三种反中微子。

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       那么，电子中微子、μ中微子、τ中微子三者是如何区分的？
       尽管这三种中微子本身不带电、质量极小且难以直接探测，但科学家可以通过以下方式区分它们：

      其一，产生方式与关联粒子区分。
      每种中微子在弱相互作用中总是伴随着其对应的带电轻子出现：

      电子中微子（ν_e）：在β衰变或核反应堆中产生，常伴随电子出现。
      μ子中微子（ν_μ）：由宇宙射线撞击大气或加速器中π介子衰变产生，常伴随μ子出现。
      τ子中微子（ν_τ）：通常在高能加速器或宇宙射线中产生，伴随τ子出现。

      其二，探测时的末态粒子区分。
      当中微子与物质发生弱相互作用时，会生成其对应的带电轻子。例如：

      若探测到一个电子，则入射中微子为ν_e ；
      若探测到一个μ子，则入射中微子为ν_μ；
      若探测到一个τ子（需通过其衰变产物识别），则入射中微子为ν_τ。

      其三，振荡行为与混合参数区分。
      中微子在传播过程中会发生味振荡（如νₑ → ν_μ），这种现象由三个混合角（θ_12、θ_23、θ_31）和两个质量平方差（Δm^2_21、Δm^2_32）描述。不同类型的中微子在振荡中的转化概率不同，也可用于间接区分。

      其四，质量本征态叠加方式区分。
      虽然中微子的“味”是可观测的，但其质量本征态（ν_1、ν_2、ν_3）与味本征态并不一致。每种味中微子是三个质量态的线性叠加，叠加比例由混合矩阵（PMNS矩阵）决定。因此，它们的量子态结构本质上是不同的。

       需要注意的是，中微子的质量本征值至今尚未精确测定，且不清楚哪种质量态最重（即质量顺序问题尚未解决）。
       因此，目前无法通过静止质量直接区分三者，只能依赖其相互作用行为和振荡特性进行识别。