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人体里的粒子物理学

粒子小到连普通的显微镜都无法看到,但却与我们每一个人息息相关——我们不仅由粒子构成,我们还会不断生产粒子,并不断受到外界粒子的轰击。

欢迎走进人体里的粒子物理学。

构成我们的粒子

你的身体中,超过99%的质量都属于碳、氢、氮、氧这4种元素,此外还含有少量其它元素,这些微量元素对生命至关重要。

虽然每隔7到15年,你身体里的大多数细胞都会全部更新,不过许多组成这些细胞的粒子都已经存在了数亿万年之久。你身体中的氢原子是宇宙在大爆炸后不久产生的,碳原子、氮原子和氧原子是恒星燃烧的产物,其它重元素则是由超新星爆发时产生的。

一个原子的大小是由核外电子离原子核的平均距离来决定的,原子的大小是它里面的原子核的大小的10万多倍,如果原子有足球场那么大的话,那么原子核会比一个乒乓球还小。如果我们失去了所有原子内的空隙,那么我们每一个人都会缩小为一粒铅尘那么大,而整个人类合到一起才只有一块方糖那么大。

原子核里质子和中子,都是由3个夸克组成的。夸克的质量来自于它们与希格斯场的相互作用,但是夸克的质量仅占一个质子或中子总质量的百分之几。胶子——强核力的携带者,用来把夸克束缚在一起的——完全是无质量的。

如果你的质量大部分都不来自这些粒子的质量,那么它们来自哪里?答案是能量。科学家相信,你身体几乎所有的质量都来自夸克的动能以及胶子的结合能。

我们制造出的粒子

你的身体也是一个小型放射线源。在一年之内,你产生的辐射剂量大约为40毫雷姆,这种辐射剂量相当于你去做4次胸部X光检查时所遭受的总剂量。如果你每晚都睡在你的爱人旁边8小时,那么一年之内你受到的辐射剂量将会多1到2个毫雷姆。

你之所以会产生辐射,是因为你吃的许多食物,喝的饮料,甚至你呼吸的空气里都含有放射性元素,例如钾-40和碳-14。它们会融进你体内的分子里,发生衰变并产生辐射。

例如,当钾-40发生衰变时,它会释放出一种电子-正电子的反物质伙伴,所以你身体也含有少量的反物质。一个人平均每天能生产4000多个正电子,换算下来,每小时就会产生180多个正电子。但这些正电子过不多久就会撞到你身体里的电子,发生湮灭并辐射出伽马射线。

我们遭遇到的粒子

我们体内产生的辐射,其实只占你日常接触到的辐射的很一小部分。现代人平均每年会接收到大约620毫雷姆的辐射剂量。你吃的食物、你住的房子、你走过的岩石和土壤都会使你暴露在低水平的辐射之中。另外,烟草会从化学肥料获取许多放射线元素。如果你经常吸烟的话,那么你遭受到的辐射剂量可以增加到大约16000毫雷姆,这种辐射剂量可能会诱发肺癌。

来自外太空的宇宙射线不断打到我们的大气层中。在那里,它们与其他原子核发生碰撞,产生介子。其中许多介子会发生衰变,产生诸如μ子和中微子等各种基本粒子。所有这些粒子都会洒向地球表面,以每秒10个的流量通过你的身体。它们每年会对你贡献出大约27毫雷姆的辐射剂量。这些宇宙粒子有时会扰乱我们的基因,造成微小的突变——这可能是促进我们进化的一个因素。

太阳每时每刻都在产生大量光子,并且释放大量中微子。中微子是你身体的常客,每一秒钟就有大约100万亿个中微子穿过你的身体。但是中微子基本不怎么与自己以及其它粒子发生作用,它们穿过你的身体时,不会留下任何痕迹。

除了太阳以外,其他的恒星以及地球上的核反应堆也会产生中微子流。另外,宇宙中也有许多中微子在宇宙诞生之初就已经存在了,一些比你身体里的原子还老。

你也可能常常遭受到暗物质粒子的沐浴。暗物质不发射、反射或吸收光,这种性质使得它们很难被检测到。暗物质大约占了宇宙物质总量的85%左右,比普通物质多出许多。

通过测量暗物质在整个宇宙的密度,科学家估算出,每秒种会有成千上万个暗物质粒子通过你的身体,它们大约每隔1分钟就会碰撞到你体内的原子上。但暗物质与物质之间的相互作用并不强烈,所以这种碰撞不太可能对你的身体产生任何明显的影响。

下次你想知道粒子物理学与你的生活关系多大时,你只需想一想你身体里所发生的事情。


(本文源自大科技*科学之谜2016年第2期文章)

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