《世界存在的本質 10》

盧瑟福在1919年用阿爾法粒子轟擊氮原子而探測出正電性的質子。實際上，質子就是宇宙中無處不在的氫原子核。但是，盧瑟福證實了質子是所有化學元素的組成單元。因為原子數與原子序數的差別，原子核裏必然存在另一種電中性的粒子。1932年，查德威克在阿爾法粒子轟擊鈹靶的實驗中發現了中子。這時，原子的基本結構就確立下來了。

海森堡注意到質子和中子極其相似。除了電性之外，中子的質量隻比質子略微大千分之一左右。海森堡直覺地認為質子和中子是同一類核子的兩個不同的量子態。他把決定核子狀態的量子數稱為同位旋。海森堡又認為質子和中子之間的強相互吸引作用依靠電子交換。但是電子不符合交換粒子的特征。1935年，湯川秀樹通過強相互作用的力程估計出這個交換粒子的質量大約是電子質量的兩百倍，而且壽命很短。他稱這個粒子為介子，因為它的質量在電子和質子之間。按照這個約定，電子和中微子的質量很輕，就是輕子。質子質量級別的粒子就叫重子。直到二戰後的1947年，湯川秀樹預言的派介子在宇宙射線中被發現。派介子又會很快地由電磁作用衰變成雙光子，或者由弱相互作用衰變成前麵提到過的繆子加上繆子中微子。

在1949年，費米和楊振寧認為派介子是質子和中子以及它們的反粒子組成的。這樣，它們的量子數都相吻合。但是，這個模型很快就不適用了。在接下來的二十年裏，粒子物理學的研究和觀測已經不隻依靠天然粒子輻射和宇宙射線。粒子加速器可以提供高能的可控的撞擊粒子源。布魯克海文國家實驗室的質子同步加速器在1952年就能將質子加速到三十億電子伏特的能量，遠遠超過質子九億電子伏特的靜止質量。到1970年，有兩百多種新粒子被發現。其中的大部分粒子都有可觀的靜止質量和很短的壽命。絕大多數都參與強相互作用。現在，我們把參與強相互作用的粒子稱為強子。它包括重子和介子。這些新粒子中還有一類奇異粒子。它們在強相互作用下經常成對地產生，然後又各自通過弱相互作用衰變成普通的粒子。前麵提到的宇稱不守恒的K介子就是一種奇異粒子。這些奇異粒子可以用一個奇異量子數來描述。費米-楊模型在奇異數上不成立。如何對這些大量的新粒子有個統一的認識自然成為粒子物理學的一個首要問題。

1955年，阪田昌一提出一個以質子，中子，和一個奇異重子為基本粒子的模型。阪田模型可以解釋介子，事實上還成功預言了一個新的介子。但是模型無法包容當時已知的所有重子。不久之後，蓋爾曼沿著阪田昌一對稱性模型的思路進行深入的研究。蓋爾曼神童出身，是一個跨越語言，文學，曆史，考古，生物鍾，和物理的通才。他和費曼同在加州理工學院工作。兩人都無比傲驕，據說從來不同時出現在同一個學術講座。王不見王，似乎應了泡利不相容原理。但是兩人私下的關係和交往還很不錯。蓋爾曼就粒子的量子數等特性對粒子進行分類和總結。他的工作和成就不亞於門捷列夫建立化學元素周期表。蓋爾曼發現強子（介子和重子）在同位旋和奇異數空間的對稱關係，介子的八重態和重子的八重態和十重態。根據粒子之間的對稱性和規律，蓋爾曼預言一個未知的歐米伽粒子。不久，克魯克海文實驗室在預定的能量上找到了這個粒子。

蓋爾曼接著又大膽地提出一個新模型，將這些強子還原到更基本的粒子。蓋爾曼稱它們為誇克。蓋爾曼認為世界上存在三種誇克，上誇克，下誇克，和奇誇克。介子由一個誇克和反誇克組成。重子由三個誇克組成，比如質子包含兩個上誇克和一個下誇克，中子包含一個上誇克和兩個下誇克。同位旋代表上誇克和下誇克的對稱性。奇異粒子的奇異數來自奇誇克。誇克的自旋都是1/2，所以是費米子。但是誇克具有+2/3e或者-1/3e的詭異分數電荷。1968年，在斯坦福直線加速器裏進行的高能電子撞擊質子的實驗揭示質子內部有精細結構，是一個複合粒子。1974年，丁肇中和裏克特分別觀測到一種新的介子，由一種新的粲誇克和其反誇克組成。以後又有兩種誇克被發現。現在我們通常認為世界存在有六種誇克。他們分別是上誇克，下誇克，粲誇克，奇誇克，頂誇克，和底誇克。在上個世紀的六十年代，人們在清理眾多的粒子的同時，也開始了對粒子和相互作用的統一之路。

--寫於2022年7月27日（圖片來自網絡）