基本粒子的哲学思考

 

　　我们把粒子的电荷理解为粒子的一种倾向性，即对于电磁力的反应，荷的量与反应程度相符合。如果两个带电粒子相互接近，它们就会彼此吸引或排斥，而且吸引或排斥的力与荷的积成正比。另外，这种力的强度与这两个带电粒子间的距离的平方成反比。这是物理常识——库仑定律的内容。如果两个粒子不带电，它们自然就既没有吸引力，也没有排斥力，而是呈中性。

　　量子电动力学描述两个带粒子之间相互作用的思想，从根本上说是一种新思想，但这种思想在二十世纪三十年代就出现了。这种思想就在于把这种力与第三种粒子的交换看成是同一个东西。这种粒子又称为中间粒子，现在人们称之为光子。它是电磁辐射的量子。光子没有电荷，也没有质量。由于没有质量，它以光速运动。

　　我们如何能够赋予粒子以电磁力承担者的身分呢？有些物理学家曾经试图为此作了个有趣的比喻：有个孩子玩球，他在球上系上一根有伸缩力的绳子，一端绳子系在自己手上，他把球抛出去，又用那根有伸缩力的绳子把球收回来。这就像一个单个的带电粒子不断地发射出光子，又捕捉住这个光子。如果在这个球上系上两根有伸缩力的绳子，由两个孩子来玩这一个球，就有可能有一个孩子抓住了这个球，而没有抓住球的那个孩子的那一方的绳子就会被拉得紧紧的。在这个比喻中，球的抓获就相当于光子被处于相互作用中的两个粒子之一所吸收。当然，任何比喻都只是为了便于他人理解自己所表述的内容，其实，两个带电粒子之间交换光子并不在光子上系什么绳子，不过把这个绳子比作电磁力也算是合适的。

　　物理学家采用这种模型说明电磁作用的主要原因是：让人们摆脱一种力不需要任何时间并且超越任何空间也能产生的思想。而我们所尊崇的物理学大师牛顿就认为引力是一种超距的作用力。但是，电磁相互作用过程却属于那种与我们称作短程作用原则的东西完全一致的过程。因为每一个这样的过程都可以分为与这一原则相一致的三个阶段：开始是一个时空上准确确定的事件；二是它以有限速度伸展的过程；三是在这一个过程终点的第二个点的事件。第一个点事件是在一个完全确定的时间和空间上的光子发射，第二个点事件是光子被吸收又是在一个完全确定的时间和空间点上。这二者中间发生的过程是光子从发射到吸收点的以光速完成的运动。

　　但是，如果现在物理学再没有其他原理可供使用，即使采用电磁相互作用的新说明模型，这种摒弃超距作用概念的形式仍然会有不可克服的困难。因为光子的交换似乎是违反了两条根本自然法则：能量守恒定律和动量守恒这两个原理。我们可以用下面这种思想实验来说明这一点。为此，我们在实验上可以使用两个处于很短距离的电子，在这一实验中我们来测量这两个电子之间的力。我们假定有光子在这两个电子之间进行交换。在一般情况下，这个被发射粒子带有发射粒子具有的一分能量和一分动量，同样，这个吸收粒子在一般情况下获得了被吸收光子的能量和动量。但是，这样的标准情况是不存在的，因为在这一实验中，无论是发射粒子还是吸收粒子都不得不人为地使它们静止下来，因此，不能改变它们的能量，也不能改变它们的动量。

　　如何克服这一困难呢？回答是：这里的被交换的光子不同于我们能在太阳光或者电磁波光中发现的真实的光子，考虑到这种区别，在思想实验中科学家把所交换的光子被称为虚光子。

　　使用虚光子绝对不像看上去那样包含着一种为克服上面提到的困难而特别提出的假设，甚至于包含有居于存在与非存在之间的半真实的梦幻，因为虚光子的特性允许借助海森伯测不准关系来说明。按这种，我们并没有违反能量守恒和动量守恒这两个定律。只是在光子从一个电子到另一个电子的交换的短时间内似乎违反了上面两个定律，按测不准关系，这样的违反是允许的。只要时间不是太久，空间不是太长就行。无论如何，两个电子在虚光子被发射以前和被吸收以后，一定具有相等的能量，这两个守恒定律允许被违反的条件是能量的余额要足够迅速地相互抵消。通过被发射光子带走的能量和动量越大，就必然越快地被吸收。更准确地说，被发射的虚光子造成的能量亏损与寿命的乘积决不能大于测不准关系中出现的常数。

　　这里所涉及的是其存在与能量原理不相容的一些粒子，尽管如此，我们还是可以假设这些粒子的存在，其原因是就能量在量子力学意义上是“不确定”的这一点而言，能量守恒定律是没有根据的。如果一个实电子被由虚光子以及一些虚电子和虚正电子构成的云包围，会发生什么情况？没有任何一个带电荷的光子不产生效应，相反，带电的虚粒子却被极化，就是说所有带负电的虚粒子都被排斥，因为实电子本身是带负电的。而带正电的虚粒子，即虚正电子却被吸收。这样，在极短的距离内围绕实电子便形成由带正电荷的粒子构成的云，这种云把电荷部分地屏蔽住了。结果是所谓裸露的电荷要大于被测量的电荷。我们实际上测量的电荷相当于裸露负电荷与屏蔽电荷（正电荷）的有限差。

　　基本粒子（Basic particle）的分类

　　虽然公元前四百多年古希腊人就假想出一切物质都是由基本粒子原子所构成，但是20世纪之前，人们不能解释原子的大小，也不能说明原子为什么会是稳定的，更没有人敢肯定原子也是可以再分割成更小的更基本的粒子，一致认为原子就是不可以再分割的粒子。1911年，由新西兰物理学家欧内斯特.卢瑟福(Ernest Rutherford  1871—1937年)作的实验最先证明证明原子的所有正电荷、以及几乎所有的质量都集中在一个很小的中心上，他把这个中心称为原子核。这个原子核又可以分为两部分：中子和质子。中子不带电荷，呈电中性；质子带正电荷。这两个粒子由一种非常强的自然力束缚在一起很难分开。以这个原子核为中心，根据这个中心的带正电荷的质子数相对的分布有一定数量的电子类粒子，按一定的轨道旋转和自转，在原子核与电子类粒子之间有一个很大的空间，所以任何物质都是可以压缩的。 

　　原子核虽然是由中子和质子组成，由强力紧紧地束缚在一起，但是，在一定的条件下它们也是会通过放射某种粒子而衰变的。其放射主要有三种：一是放射阿尔法α粒子，即两个中子和二个质子。这个阿尔法粒子其实就是一个氦原子核。阿尔法粒子只能由不稳定的原子核衰变时放出；二是放射贝塔β粒子。这个贝塔β粒子其实就是一个电子。这个电子（贝塔粒子）粒子由质子中放出，一个原子核中放射出贝塔粒子后，这个原子核就少了一个质子，多了一个中子。由此可以看出，质子之中也含有电子。质子和中子的区别就在于质子是含有电子的粒子，当一个质子失去一个电子后，它也就失去了带正电的资格而变成电中性的中子了。相反，如果一个中子强加给它一个β粒子（电子），这个中子也就变成质子而带正电，从而失去了呈电中性的资格；三是放射γ伽玛射线，即高能光子。这种放射是原子核从一个激发状态转变到一个低能量状态时放出的高能光子。伽玛射线γ放射后，原子核内质子数和中子数保持不变。

　　从这三种放射后产生的后果来看，质子、中子、电子这三种粒子也是可以相互转换的。也就是说，不仅原子不是不可以分割的粒子，就是它所包含的质子、中子、电子也不是物质的最基本的粒子。一般说来，原子在正常情况下，它是处于稳定的化学状态，但是，原子在某种特殊环境下（如高速、高压、强辐射等），也会变成不稳定的粒子或者激发状态的粒子，从而引起放射性衰变。

　　不仅如此，通过自然衰变和人工的聚变或裂变，把一种原子核变成另一种原子核。如通过聚变把氘或氚原子核变成氦核。

　　自从量子力学出现后，物理学家已经把原子细分成很多类：

　　1，电子类粒子。电子类粒子可分为电子、μ子和τ子三大类。

　　①，电子 反电子  电子中微子  反电子中微子 

　　②，μ子 反μ子  μ子中微子  反μ子中微子 

　　③，τ子 反τ子  τ子中微子  反τ子中微子 

　　以上这12种粒子构成原子的外壳子，习惯上称这些粒子为轻子。值得说明的是μ子的质量是电子的200倍，τ子的质量是电子的质量的3500倍。

　　2，由于原子的质量全集中在原子核，所以习惯上称中子和质子为重子。这些重子是由夸克组成的。

　　①，下夸克 反下夸克  上夸克  反上夸克 

　　②，奇夸克 反奇夸克  粲夸克  反粲夸克 

　　③，底夸克 反底夸克  顶夸克  反顶夸克 

　　夸克，英文写作Quark。这个我们人类还没有单独看见过的小粒子，它的名字来源于大文学家詹姆斯.乔伊斯(James Joyce)的童话故事中的人物,在那里的意思是”小矮人”。现在，我们还没有办法直观这些夸克，把原子核说成是由这些夸克构成的现在还只是量子力学思辨后的认识表达。要把夸克从一个中子或者质子分解出来，至少需要80亿电子伏特的能量。我们人类现有的粒子加速器还不能作这样的实验。这样的能量消耗人类还支付不起。 

　　这些由夸克组成的原子核，是原子质量的99.9%，体积却很小，如果把原子核集中起来，作一个由原子核做的骰子（一立方厘米大），它的重量将重达14吨重。喜欢玩麻将的朋友们可能谁也玩不动它。如果要提炼这样一个由原子核作的骰子，至少需要一座泰山来作原材料。

　　夸克都是大质量的粒子，它自旋为半整数，表明它的自转运动遵从“泡利不相容原理”。用现有的技术没有发现它的明显的结构，也表明现在我们无法把它分成更小的粒子。即使是这样，我们也不能过早地下结论说夸克就是最小的基本粒子。夸克总是与别的夸克组合在一起，例如，下夸克除了与自己的反下夸克组合在一起以外，通常还与上夸克及反上夸克组合在一起组合成一个介子。把这些夸克组合在一起形成介子以及形成原子核的力叫作“强相互作用力”（Strong interaction）,这种力是自然界最强的自然力。