冷冻电镜看到了真实的原子!它的样子符合科学预测吗?

星空承载梦想 2025-02-16 10:04:11
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地球是一颗拥有生命的星球,在地球上生活着各种各样的生物,有海洋生物、有陆地生物、有两栖生物和微生物等等,人类就是由陆地生物猿类进化而来的,不过人类和其它生物最大的区别在于,人类诞生了智慧,人类在短短几千年的时间内,站到了地球食物链的顶端,这说明人类科技发展的速度是非常快的,随着人类科技的深入研究,科学家发现了世界的本质,我们所看到的一切其实都是由微观粒子组成的,在古希腊时期,哲学家如德谟克利特提出原子论,认为物质由不可分割的微小粒子组成,但这只是哲学猜测,缺乏实验支持,到了16世纪末至17世纪初的时候,显微镜的发明开启了微观世界的探索,在17世纪的时候,罗伯特.胡克和安东尼.范.列文虎克用显微镜进行了重要观察。

胡克在《显微图谱》中描述了植物细胞,列文虎克则首次观测到了细菌和精子等微生物,在19世纪末至20世纪初的时候,约翰.道尔顿提出原子理论,阿梅代奥.阿伏伽德罗提出分子概念,之后科学家通过实验证明了原子和分子的存在。最早发现原子行踪的,是一位名叫罗伯特.布朗的苏格兰植物学家,在1827年的时候,布朗在显微镜下观测克拉克花的花粉,他发现在没有任何外力的时候,花粉里的小颗粒自己在晃动,这个现象后来被称为是布朗运动。一开始很多人都认为,这种现象应该是某种生命活动,是花粉里面的东西遇到水开始发生变化了,但问题是,布朗观测的花粉是20年前收集的,应该已经死透了,可它们仍然会跟新鲜花粉一样运动。

布朗猜测,这种运动应该和生命活动没有关系,要验证这一点也很容易,布朗又找来各种各样的无机物,从玻璃碎屑到狮身人面像身上的粉末。把这些东西统统放进水里,结果这些东西都出现了晃动,这说明驱动这些小颗粒运动的,绝不可能和生物有关,但布朗当时也不知道背后真正的推动力是什么,只是把结果记录在了观察记录里面。而正是这个记录,让原子难逃被发现的命运,在发现布朗运动7、8年后,爱因斯坦解决了这个问题,1905年也被称为是爱因斯坦奇迹年。在这一年里,爱因斯坦发表了4篇论文,其中一篇《热的分子运动论要求的静液体中悬浮粒子的运动》,这篇论文,解决了布朗运动的问题。

爱因斯坦的这篇论文告诉了我们热的分子运动论的基本思想,物质由大量微观粒子组成,这些粒子处于永不停息的无规则运动当中,在液体中,分子由于热运动而不断碰撞,导致能量和动量的传递,悬浮在液体中的微小粒子也会受到周围液体分子的碰撞,从而表现出无规则的运动,它的特点是,悬浮粒子的运动轨迹是极不规则的,没有固定的方向和规律,在不同时刻的运动方向和速度都在不断变化,只要液体的温度保持一定,布朗运动就会持续进行不会停止,而且温度越高,布朗运动越剧烈,因为温度升高以后,液体分子的热运动加剧,对悬浮粒子的撞击频率和力度都会增大,导致粒子的运动更加剧烈。

布朗运动为热的分子运动论提供了有利的实验证据,它直观的展示了分子的无规则热运动,使得人们对微观世界中分子的运动有了更加深刻的认识。原子和分子的发现,使得化学从定性研究走向定量研究,道尔顿的原子论和阿伏伽德罗的分子学说,为化学元素的化合与分解等化学反应提供了理论依据,让化学成为了一门系统的科学,原子和分子概念的提出,为气体动理论、统计物理学等提供了微观基础,使得人们能够从微观角度解释热、压强等宏观现象,还为量子力学的发展奠定了基础。现在我们知道,地球上所有的物质都是由原子构成的,原子是形成物质特征的最小单位,最小的氢原子尺度直径大约是10^-10米,也就是0.1纳米。

为了能够更好的观测微观世界的粒子,在20世纪80年代,科学家发明了冷冻电镜,冷冻电镜的发明是由众多科学家一起努力的成果,在1974年的时候,加州大学伯克利分校的罗伯特·格莱瑟和他的学生肯·泰勒首次提出冷冻电镜,并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像,目的在于降低高能电子对分子结构的损伤,并因此实现高分辨成像,奠定了冷冻电镜的最初理论和实验基础。后来到了1982年,雅克·迪波什开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术,制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品,解决了生物样品在电镜观察中的关键制样问题,使冷冻电镜技术走向实用化。1984年,他首次发布不同病毒的结构图像。

约阿基姆·弗兰克开发了“单粒子重建法”这一图像解析技术,他的图形拟合程序被认为是冷冻电镜发展的基础,推动了冷冻电镜在生物大分子结构测定方面的应用,1990年的时候,理查德·亨德森成功利用电子显微镜在原子分辨率上生成了蛋白质的三维图像,有力证明了用电子显微镜进行生物分子成像的潜力,为冷冻电镜技术在高分辨率成像方面树立了里程碑。冷冻电镜的出现,让人类进一步了解了原子和分子的奥秘,从外观来看,原子的确像量子力学描述的电子云模型那样,是一个不断运动的两点,现在我们知道,原子在化学反应中是不可分割的,是物质保持其基本特性的最小单位,现在已知的118种元素就是如此。但原子通过物理方法是可以分割的,如通过高温高压或者高速碰撞,会让原子发生裂变或者聚变,从而变成新的元素。

通过各种实验,已经证实了原子由原子核和电子组成,而原子核又由中子和质子组成,而每个中子和质子则是由3个夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成的,质子由两个上夸克和一个下夸克组成。上夸克带三分之二正电荷,下夸克带三分之一负电荷,因此中子里的夸克正负电荷相等,不显电性。而质子则正负相抵多出一个电荷,因此显示1个正电荷,电子带1个负电荷,这样一个原子核有多少个质子,就会有多少个电子,原子才会呈中性存在。看到这里,相信很多人都会产生一个疑问,就是夸克里面还有什么?夸克是构成物质的基本粒子之一,通常被认为是不可分割的,但是根据量子色动力学发现,夸克内部的结构很复杂。

里面涉及色荷:夸克带有色荷,分为红、绿、蓝三种,类似于电荷,但比电磁力更复杂,胶子:传递强力的粒子,带有电荷,负责夸克间的相互作用,夸克禁闭:夸克无法单独存在,总是以强子的形式出现,强子是由夸克和胶子组成,分为重子和介子。在极高的温度和能量下,夸克和胶子可能形成自由状态,成为夸克-胶子等离子体。从目前的科学研究来看,夸克已经是最小单位了,它无法在分解,科学家通过高能粒子加速器进行大量实验,让粒子以极高能量相互碰撞,试图探测夸克内部结构或发现其可分的迹象,但至今未发现夸克有内部结构或可分解的证据。目前大型强子对撞机等实验装置,能够将粒子加速到接近光速并碰撞,碰撞产生的能量和条件极高,但是没有揭示夸克有更小的组成部分。

不过随着人类科技的不断进步和发展,人类或许能够发现一些更加神奇的粒子,比如说弦理论。弦理论最早在1968年的时候被提出,当时弦理论并没有被寄予厚望,而是单纯为了解释原子核内的强力作用,当时人类对中子和质子的强力作用还不是很了解,所以发明了一种弦振动的方式试图描述强力,但结果科学家并不是很满意,用弦振动解释强力并不符合实验,最后强力也被量子色动力学完美解释,所以发明弦振动的概念也随之被抛弃。之后物理学家发现,弦振动这种猜测能够解决一个更基础的问题,那就是基本粒子的构成。对于那些无法再继续拆分的粒子,弦理论认为它们还可以继续拆分。

弦理论认为正是由于弦的不同振动才衍生出各种不同的基本粒子,比如夸克,电子,光子。但是这里面存在一个很大的问题,弦的尺度在10∧-35米的量级上,而基本粒子的尺度一般情况下在10∧-17米到10∧-28米的量级上。和弦的尺度在数量级上相差甚远。这就意味着弦振动或许并不能直接演化出基本粒子。中间应该还有过渡形态的粒子结构。这个道理就好像是说人体直接由原子构成,把分子,DNA,细胞等结构都忽略掉了。所以弦论认为弦振动直接产生基本粒子的说法就有待商榷。而且弦理论还提出了一个新的观念,即宇宙是由一系列维度构成的,而不仅仅是我们所看到的三维世界,弦理论认为,我们的宇宙可能多达11个维度,其中7个维度是被卷起来的微小空间。

这些额外的维度只有在非常小的尺度下才会被发现,因此我们无法直接观测到它们,目前来说,弦理论是一个非常有挑战性的理论,因为它需要解决一些非常困难的问题,比如说如何在非常小的尺度下描述物理过程,以及如何将量子力学和相对论结合起来。目前弦理论还没有被直接实验证实,它只是给人类科学提供了一种全新的方法来理解宇宙的本质。弦理论到底是什么?还需要科学家进一步的研究和探索,然而宇宙中最小的粒子到底是不是夸克?目前科学家还在积极的研究当中。

小编认为,我们的世界是复杂多样的,世界到底有多么神奇?目前科学家也在积极的研究当中,虽然现在人类已经解开了一部分世界的奥秘,但是世界的奥秘远比我们想象的更加复杂,不过人类作为地球上最有智慧的生命,人类的科技在不断的进步和发展,只要人类能够坚持不懈的努力下去,人类一定能够解开宇宙中更多的奥秘,到时候我们就能够知道宇宙中最小的粒子到底是什么?希望人类能够早日实现自己的梦想,对此,大家有什么想说的吗?

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用户10xxx55

用户10xxx55

3
2025-02-16 15:19

做梦呢?

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本人爱好天文,擅长写科学领域的文章