作者：张天蓉
回溯量子理论的诞生和发展，至此我们已经反复提到过基本粒子标准模型。虽然宇宙中的基本相互作用可以归纳统一为四种，但实验观测发现的各类粒子越来越多，有好几百种象“粒子动物园”。那么，科学家们又是如何确定其中的哪些“动物”是“基本粒子”呢？
确立基本粒子概念是还原论的产物。从古希腊开始，哲人们追求“万物之本”，其中较典型的是“原子派”，认为万物都是由原子组成的。
什么是万物之本？
彼原子非此原子也！不同的思维脉络会得出不一致的结果。从古希腊到19世纪初的英国道尔顿，原子学说经历了约2000年的发展和变迁，古人思考物质世界的哲学转型成了完全不同的科学。至1908年，新西兰物理学家卢瑟福通过散射实验确立了原子的核式结构——电子围绕原子核运动的行星际模型。卢瑟福实验还说明原子核能互相转换，例如用α粒子轰击氮原子能产生氧原子和氢核。这促使人们认识到原子核不是最基本的粒子，即原子是由某种更小的粒子组成的。后来人们把这个基本组分命名为“质子”。随后，科学家们又在1932年发现了“中子”。于是，质子和中子被称统称为“核子”。
对核子的研究导致发现了强相互作用。因为质子和中子总是被束缚在原子核里面，科学家们猜测一定有某种比电磁作用要强很多的另一种短程作用，才使得带正电的质子相互不会因为电磁的（排斥）作用而不稳定。
自从上世纪30年代开始建造高能回旋粒子加速器，又有新的粒子被不断发现。其中包括轻子、介子，还有各种反粒子等。各类粒子日益增多，令人目不暇接。到了60年代，观测到的不同粒子已达200多种，被人们笑称为“粒子家族大爆炸”。这个时期的实验物理学家兴奋雀跃，而理论物理学家一筹莫展。
实际上，从上世纪50年代开始，理论物理学就一直充满了挫折与困惑。40年代末量子电动力学的成功曾给物理理论带来了一段蓬勃发展，但在电子光子相互作用上颇为成功的量子场论拟合到“强弱”相互作用时遭遇了困难。b衰变中的弱相互作用按照实验数据建立的四费米子理论只适合低能情况，无法用原来的重整化方法消除无穷大。并且，弱作用还经常表现出与众不同的“不守恒”。此际，三位华裔科学家（李政道、杨振宁、吴健雄）提出并验证了“宇称不守恒”。对于强相互作用，当时有一个汤川理论可以消除无穷大困难，但由于相互作用太强，使得具体计算中的微扰论无法应用。这些问题迫使科学家们不得不重新思考，使得对量子场论的研究一度陷于低谷。
随着日益壮大的“粒子动物园”，物理理论面临着如同19世纪中期化学家们遇到的困境一样，物理学急需一个类似于“元素周期表”的“粒子表”。物理学家们通过分类、整理“动物园”的粒子，一直到1970年代才形成标准模型的框架。该模型将大多数粒子看作是少数基本粒子的复合粒子，基本理清了“粒子动物园”的混乱局面。
有人说危机就是契机，而历史总是反复玩弄“危机-契机”的花招来折磨科学家。危机吓唬的是老一辈，得到契机的是年轻人。量子理论的发展是一代又一代年轻物理学家争奇斗艳的历史，标准模型的建立也是经历了许多错误和挫折之后才做出一些重大的发现。其中具有里程碑意义的主要是引入对称自发破缺概念、完备杨-米尔斯规范理论和建立夸克模型。
在新发现的众多粒子中，大都与强相互作用相关，是寿命超短（～10-23秒）的共振态粒子。它们和中子、质子一起被称为“强子”。正是因为强子的种类多、相互作用力强，吸引了很多年轻物理学家的研究兴趣。
不同于社会发展史，科学的历史总是由英雄来描写的。美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）提出八正法拼凑的夸克模型奠定了强与弱、电统一的基础。
盖尔曼出生于纽约曼哈顿，是早年从奥匈帝国移居美国的犹太裔后代。他记忆超群、兴趣广泛、语言能力极强，曾被同学们誉为“百科全书”。他本来特别喜欢花鸟虫草，各种植物动物，但他最终闯入了理论物理的象牙塔中。
盖尔曼在耶鲁读本科，麻省修博士，随后又到普林斯顿研究院呆了一年，那正是爱因斯坦闭门营造统一梦的日子。1952年，盖尔曼赴芝加哥大学随费米手下工作，开始对强相互作用感兴趣。
默里·盖尔曼
提出“奇异数”概念是盖尔曼研究强相互作用所做出的第一项跨越。当他转到加州理工学院后，和比他大10岁的费曼在一起成为50-60年代物理界最耀眼的明星。两位对手的物理思想在激烈的竞争和永无休止的争吵辩论中发展成熟起来。恰如温伯格所说，到那儿去作报告时务必得作好长时间“激战”的准备！
1954年，杨振宁和米尔斯提出Yang-Mills非阿贝尔规范理论的初衷是企图解决强相互作用问题。他们用SU(2)碰到的困难启发了盖尔曼。他意识到粒子动物园的强子太多，其对称性或许要用比SU(2)更为复杂一些的群来描述。聪明的盖尔曼选中了SU(3)，这是一个有8个参数的李群。
盖尔曼联想到佛教术语“八正道”（见图），而自旋为1/2的重子正好也是8个。于是，盖尔曼将这8个重子按照奇异数和电荷数的不同，排列成了一个正6边形图案。图中的S是奇异数，表示纵向坐标，斜向的对角线表示粒子具有相同的电荷。盖尔曼如法炮制，又将不同种类的介子也排成了8个一组的正6边形，由此得到了他称之为“八正法”的模型。
盖尔曼的八正法
他随后发现，虽然SU(3)群是8阶李群，但它表示的并不只限于8重态，还有10重态、27重态等，这些又代表哪些粒子呢？他起初想把“粒子动物园”中的强子尽可能地都排列到SU(3)群中，后来他意识到不能这样没完没了地排下去，如果再有新的粒子被发现，哪排到何年何月为止？盖尔曼还注意到，SU(3)有一个最简单的3重态表示，可以考虑SU(3)的其它表示都用3重态的图案（图中的三角形）。于是，数字“3”经常浮现在盖尔曼的脑海里。
着眼于数字3与强子的构成有关，盖尔曼经过反复思考，他认为质子和中子是由3个更基本的粒子构成的。盖尔曼念头当初让物理学家们止步的原因与电荷有关，因为这个理论需要假设更“基本”的砖块具有分数电荷，比如1/3个电子电荷。可是在实验中谁也没见过分数电荷。然而没见过的东西不等于不存在。最后，盖尔曼终于越过了这个“坎”，开始用这些带分数电荷的东西来构建理论，并且给它们起了一个古怪的名字“夸克”。它来自于盖尔曼当时正在读的乔伊斯的一本小说，盖尔曼欣赏其中的一句：“冲马克王叫三声夸克！”太好了，念起来声音响亮，含义带点莫名其妙的色彩，又与数字3有关，真是一个恰当的名字！
在经过了多次的反复和犹豫之后，盖尔曼1964年提出了夸克模型。每个重子由3个夸克（或反夸克）组成，每个介子都由两个夸克（或反夸克）构成。由于实验中从未观察到单独的夸克，他考虑引入“夸克禁闭”理论来解释。1968年，斯坦福大学的SLAC用深度非弹性散射实验证明了质子存在内部结构，这相当于间接证明了夸克的存在。之后又有更多的实验数据支持强子夸克模型。1969年，盖尔曼因为对基本粒子的分类及其相互作用所做的工作，独揽诺贝尔物理奖。
当然，强子分类也不完全是盖尔曼一人的功劳，也不是他第一个用SU(3)群研究强子。日本的坂田昌一在50年代就提出基于SU(3)的坂田模型。那时他们将质子、中子和L粒子作为基本砖块，企图构成其它的重子。在盖尔曼提出八正法的同一年（1961年），以色列的內埃曼亦独立地开发出一套相近的理论。两人还几乎同时独立地用他们各自的理论预言了W-粒子的存在。这个粒子在1964年被发现，这是对八正法模型的强有力支持。
在盖尔曼提出夸克模型的同时，另一位出生于莫斯科的犹太裔美国物理学家乔治·茨威格（George Zweig）也独立提出了类似的模型。当然不是叫夸克，茨威格将其称为“艾斯”（Aces）。遗憾茨威格后来没有继续物理研究，而是转向了神经生物学。
作为物理学的“元素表”，强作用的八正法夸克模型只是其中的一块拼图，尚需要与另外三种相互作用统一起来。然而对于引力的统一科学家视乎还无从着手，而弱、电的统一经过重整化已经获得了圆满解决。
相对于电磁作用而言，强相互作用是电磁作用的137倍，弱作用则比电磁作用要小11个数量级。
电磁力和引力的作用范围可以远至无穷，而强力范围只在10-15米之内，弱力的效应就更小到10-18米之内。弱力和电磁力的统一要归功于1979年的三位诺贝尔物理奖得主以及他们的前辈。
格拉肖和温伯格是高中同班同学——著名的、有8位校友获诺贝尔奖（其中7位物理奖）的纽约布朗克斯中学，另一位诺奖得主是巴基斯坦物理学家萨拉姆。
1979年的诺贝尔物理奖得主
格拉肖在哈佛读博士时，师从著名物理学家施温格（Schwinger）。施温格最早提出了电弱统一理论的想法。1961年，格拉肖使用杨-米尔斯规范理论推广了施温格的模型，用SU(2)xU(1)群统一描述弱电作用，但留下了规范场的质量问题尚未解决。电磁场的传播子是无质量的光子，意味电磁相互作用的强度随着距离增加是多项式衰减（势场变化1/r）。相比电磁力是长程力，短程弱作用的衰减规律是 e-mr/r，其中的m不为零，是传播子的质量。
直到1967年学界提出希格斯机制之后，温伯格和萨拉姆分别独立地应用希格斯机制发展出了一种弱、电统一理论（后来被称为量子味动力学(QFD)）。它确定了电弱统一的规律由SU(2)xU(1)描述，确定了4种作用传播子：光子、W＋和W－粒子、Z0粒子。其中W粒子和Z粒子是传播弱作用的粒子，都具有较大的质量（大于质子质量的100倍）。弱电模型预言的Z粒子引发的中性流于1973年被中微子散射实验发现（于1978年最后证实）。之后，W和Z粒子均在1983年被西欧核子研究中心庞大的超同步质子加速器发现。另外，Veltman 和他的学生 't Hooft用路径积分方法也完成了弱电理论的重整化。这些成果都证实或支持了弱电理论的正确性。
当夸克模型抽象为量子色动力学（QCD）之后，不包刮引力的基本粒子标准模型便基本成型了。
按照标准模型，基本粒子是组成物质的最基本单元。这些基本粒子有无更深层次的内部结构尚未知，也无法确认是否由其它更基本的粒子所组成。所以基本粒子的概念是随着科学技术的发展而改变的。目前，标准模型对粒子的分类如下图。
粒子物理的标准模型
基本粒子的拼块（分类）比化学元素周期表看起来简单多了。
从自旋的角度看，所有的微观粒子分为两大类：费米子和玻色子——自旋为半整数的粒子为费米子；自旋为整数的粒子为玻色子。
从基本粒子的总数目看是62种（其中包含一个预设的引力子）。图中所示的是大框架，主方块中标出的是4X4=16种基本粒子，12类费米子和4类玻色子。加上这些粒子的反粒子（光子的反粒子是它自身），再加上希格斯玻色子，共61种。科学家们梦寐以求的大统一就是要找到第62种基本粒子——引力子。
12类费米子按4个1组，分别成为夸克和轻子的3代家族。只有第一代家族的4个粒子：上夸克、下夸克、电子、电子中微子，才是构成通常可见物质的基本砖块，其它两代家族都与常见物质无关，它们被划分是第一代家族衍生出来的更重的家伙，所以除了专门的粒子学家之外，其他人可以不理会它们，也没有必要关注它们的存在。
质子和中子属于复合粒子，没有被认为是物质的基本单元。它们作为原来被理解的核子其实是由更小更为基本的夸克和反夸克构成的：每个质子由2个上夸克和1个下夸克组成；每个中子由1个上夸克和2个下夸克组成。
比较复杂是4类玻色子（12种），它们是相互作用的传递媒介粒子。
在玻色子中，列于最上面的胶子（gluon）用符号g表示，是夸克之间强相互作用的传播粒子。胶子场是SU(3)群，有8个生成元，因而胶子有8种，胶子的自旋是1。胶子之下是光子，它是电磁相互作用的传播粒子。电磁场符合U(1)对称性，U(1)有1个生成元，因而对应的传播子（光子）只有一种，光子的自旋为1。然后，Z粒子和W粒子是传播弱相互作用的，共3种。
拼图的最右上方是希格斯玻色子。它是上帝，专门为它的臣民（所有基本粒子）提供质量，让它们普度众生。但上帝没有去恩赐光子。
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