图17-3 一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克

17.4 世界的基石：轻子

轻子是对电子和它的两个伙伴，以及它们对应的中微子的总称。包括电子、μ 子、τ 子以及电子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子等6 种基本粒子，加上它们的反粒子，共计12 种轻子。轻子都是基本粒子，没有内部结构。

前文已经提到过，英国物理学家汤姆逊在1897 年发现了电子，并确定电子是一种基本粒子。

1937 年，人们在研究宇宙射线时发现了μ 子。可以说μ 子就是一个胖电子，它的质量是电子的207 倍，其他性质则和电子相同。在穿过地球的宇宙射线中有大量的μ 子，此时此刻就不断地有μ 子从我们的身体中穿过。μ 子的寿命很短，它很快就会衰变成一个μ 子中微子、一个电子和一个反电子中微子。

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1976 年，物理学家们又发现了一个更胖的“电子”，它的质量是电子的3479 倍，其他性质则和电子相同，这个粒子被命名为τ 子。τ 子虽然属于轻子，但它的质量并不轻，它的质量已经达到了质子的1.9 倍。τ 子也会迅速衰变，它有三种可能衰变的途径：64.8% 的概率会衰变成τ 子中微子和反π 介子；17.84% 的概率会衰变成τ 子中微子、电子和电子中微子；17.36% 的概率会衰变成 τ 子中微子、μ 子和μ 子中微子。

17.5 四种基本力和力的传递粒子

通常把物体之间的相互作用称为力。物理学家们发现，自然界中所有的相互作用都可以归结为四种基本力的组合，这四种基本作用力是：引力、电磁力、强力和弱力。

1. 引力

引力就是大家常说的万有引力，有质量或者能量的任何物体都会感受到引力。引力对我们来讲是非常重要的，它不但让我们能牢固地脚踏大地，而且还维持着地球绕着太阳转。与其他三种力相比，引力非常非常弱，要小三十多个数量级。物体质量有多大，决定了它能产生多强的引力以及对引力有多大的反应。所以小质量物体间的引力小到可以忽略不计，这就是为什么两个人之间感受不到对方引力的原因。好在地球和太阳的质量足够大，所以地球能被太阳牢牢地吸引住。

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有趣的是，实验证明引力是以光速传播的。假如太阳突然消失了，地球并不会马上陷入灾难，它还会照样公转，直到大约8min 后地球才会感受到太阳引力的消失，那时才会出现灾难。

计算引力的公式大家都熟悉，就是牛顿的万有引力定律：

式中，F 是两个物体之间的引力，G 是万有引力常量，m1 和m2 是两个物体的质量，r 是两个物体之间的距离。

2. 电磁力

带电荷的粒子会相互吸引或者相互排斥，这种力就叫电磁力。电荷间同性相斥、异性相吸。就像质量一样，电荷也是粒子的基本性质。原子中电子带负电荷，质子带正电荷，大小都为e（e=1.6×10−19 库仑）。因为正、负电荷相互抵消，所以原子是电中性的。虽然夸克具有分数电荷，但夸克不能被单独探测到，所以e 是电荷的基本单位。

电磁力比引力强得多，两个电子之间的电磁力比引力大36 个数量级。好在我们常见的物体都是电中性的，所以不会产生强大的吸引力或排斥力。

电磁力的计算公式是库仑定律：