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微观粒子发现史之八:夸克君临,天下震动

随着π介子的发现,基于宇宙射线的粒子探测技术也越来越精密,一群新粒子蜂拥而出,不久后,人们又发现了正负K介子和中性的Λ粒子。

加速器那边也传来了好消息,1949年,发现了中性π介子,后来又发现了正负和中性Σ粒子,负和中性Ξ粒子还有中微子,反质子和反中子我们已经说过了。

以前找不到新粒子的时候拼命找,现在忽然冒出来这么一大堆也发愁,人们不由得开始感叹门捷列夫的伟大,伟大的门捷列夫把所有的元素纳入了一个表中,不但看起来井然有序,而且还指出了元素之间的规律,那么这么多粒子是不是也可以这么做呢?

一位年轻的物理学家带着这个疑问去问费米,费米一声长叹:'年轻人,我要是记得这么多名字,我早就成为植物学家了。'

费米的这一声长叹道出了当时的困境,虽然植物学的分类远没有元素周期表那么漂亮,可是当时对微观粒子的分类连植物学那么粗疏的分类也做不到,人们只是勉强地把这些粒子分成了费米子和玻色子。

费米子就是构成物质的粒子,包括轻子和重子,轻子就是质量轻的粒子,包括电子μ子中微子和他们的反粒子,重子包括我们常见的质子中子Λ粒子Σ粒子Ξ粒子和它们的反粒子,玻色子就是传递力的粒子,包括光子和所有的介子,介子和重子又构成了强子,天啊,这太乱了,确实有点植物学的分类,看起来有些规律,其实真正的规律还隐藏在迷雾中。

从整个科学史来看,物理学家们并不喜欢这种植物学的分类,他们更喜欢找到世界的本源。费米和杨振宁第一个强子的结构模型,他们觉得π介子是由质子或者中子和它们的反粒子组成,他们提出这种说法时反物质粒子还没有发现,这确实需要相当的胆识和勇气。

日本物理学家坂田昌一从马克思主义辩证唯物主义出发,认为质子中子和Λ粒子就是构成物质的最基本粒子,并且试图以此来构建其它粒子。

东方物理学家受到西方哲学思想的影响,那么西方物理学家呢,他们自然要受到东方哲学的启发,盖尔曼就觉得佛祖说的'八证道'很有意思,提出了'八重态',这基本上就是这一堆粒子的元素周期表了。

盖尔曼的八重态确实漂亮,不但给粒子分了类,而且也和元素周期表一样可以预言新粒子,Ω粒子就是预测出来的,可是光有元素周期表是没有用的,门捷列夫也没有搞懂元素周期表为什么这么排,直到人们了解了原子核的构造之后才知道的这是按照元素的质子数和核外电子数排列的,盖尔曼这次没有等别人来解释八重态,他自己就解释了粒子的本源。

盖尔曼提出了一个新的设想就是夸克,他说夸克分为三种,质子和中子就是由三种夸克构成,不过这就引出了一个问题,质子的电荷数才是1,三个夸克构成一个质子,这就要有1/3电荷了,这还真是,盖尔曼把夸克分为上夸克下夸克和奇夸克,上夸克带﹢2/3电荷,下夸克带-1/3电荷,奇夸克带-1/3电荷,重子就由这三种夸克不同组合,介子再算上点反夸克。

这听起来有点匪夷所思,其实盖尔曼自己也拿不准,他自己也不认为真的有这种粒子,他

称之为'数学的产物'。提出者自己都没谱,这更不能指望别人承认了,所以长期以来,人们都认为这是胡说八道。

理论上说不清楚的事情,还是看实验吧。当年祖师爷卢瑟福就是靠着α粒子散射实验一战封神,也揭开了原子的秘密,现在的实验就要击碎质子,看看质子能不能破碎了,不过当年卢瑟福实验有α粒子这种大自然的赏赐,现在可没有了,既然大自然给不了,那就自己造吧,这就是加速器,就是用高能电子直接撞向质子。

这撞过去的结果有三个,一个是撞了就撞了,就乒乓球撞铅球一样,直接把乒乓球撞飞了,第二个结果就是电子把质子撞兴奋了,电子和质子本身都还完好无损,就是质子的能量变化了,顺便产生了几个新粒子,这就好像是乒乓球把铅球撞的挪了点位置,还有了点灰尘飞起,要是电子能量足够大,也不是不可能,还有一种最不可能的结果就是电子把质子撞碎了,质子的碎片四处飞散,电子也被撞的无影无踪。

可是最不可能的结果还是出现了,实验结果表明质子确实存在着内部结构,这就是说质子还可以再分,可是是不是分成夸克呢?这还真没有人知道,因为实验的提出者比约肯的数学描述太复杂了,这对于物理学家们来说就是一个障碍,物理学家们数学一向不好,关于这一点,海森堡表示赞同。

看来还是得请外援了,外援就是顽童费曼。这个时候的费曼正在享受诺贝尔奖带来的兴奋中,不过很快费曼就意识到荣誉只能代表过去,还是应该再做点贡献。

费曼提出了一个部分子的猜想,就是强子有很多部分构成,这只是他的一个天才构想,毫无实验依据啊,不过实验结果就送上门来了,他看到实验结果后仰天长啸'我穷尽一生,一直在寻找这样的实验呀',经过一夜的思考,费曼用简洁明了的语言解释了实验结果,人们才恍然大悟。

至于部分子是不是就是夸克呢?费曼根本就不在乎,天才嘛,是不关心这些小事的,这一点倒是和泡利颇为相似。

后来的实验证明,质子内部确实存在着夸克,可是问题更大了,既然质子中子内部存在着夸克,为什么从来就没有看到过自由夸克呢?这还只是其中一个问题,还有两个问题是当时初生的夸克理论解决不了的。

这第一个挡在夸克理论面前的大山就是泡利,泡利以泡利不相容原理闻名,这不是他唯一的成果却是他最重要的成果,对于微观粒子来说,泡利就如同君王一般,任何一个粒子都要遵守他的圣旨,这道圣旨就是泡利不相容原理。

按照夸克理论,夸克应该是自旋1/2的费米子,而且强子包括两个或者两个以上拥有相同量子态的夸克,比如质子就是有两个上夸克和一个下夸克构成的,这两个上夸克就是量子态相同的微观粒子,这是违反泡利不相容原理的。

实验表明质子中子内部的夸克会独立的粒子一样随意溜达,可是夸克是由强大的核力束缚在一起的呀,这怎么可能又抱在一起又四处溜达呢,这是第二个夸克理论难以解释的问题。

这三个问题就成了压在夸克理论头上的三座大山,饭得一口一口地吃,山也得一座一座地翻,首先要翻的当然是泡利这一座山,谁叫他不好惹呀。

要想翻越泡利这一座大山有三种方法,一是论证泡利不相容原理是错的,这事儿大家不是没干过,爱因斯坦就是通过论证以太不存在推翻了牛顿爵爷,成就了一代霸业的,第二个方法就是修改自己的理论,这也有先例的,当初玻尔认为能量守恒定律有问题,泡利觉得没问题,直接提出了中微子的设想,这个咱们在前面说过了已经,还有一种耍赖的方法就是添一个自由度呗,不是不可能有两个电荷自旋完全相同的微观粒子凑成CP吗?夸克的电荷自旋都一样了,那就再添一个自由度,那不是就既满足了泡利不相容原理又不破坏自己的理论,这就是皆大欢喜呀。

这活当然盖尔曼来做最好,不过盖尔曼却有点漫不经心,因为他刚获得了诺贝尔奖,而且他也并不确定真的有夸克这种东西,可是有人着急,这个着急的人就是费里奇,这位也是一位奇人,他来自民主德国,当时两个德国还没有统一,柏林还横亘着一道长墙,为了追求知识他偷偷跑到了联邦德国,开始在慕尼黑的普朗克物理研究所攻读理论物理。

来自社会主义国家的费里奇深受马克思主义教育,他坚信夸克是一定存在的,对于盖尔曼漫不经心的态度表示很不理解,在1970年遇到盖尔曼的时候,他强烈地表示了自己的信心,人家都冒着生命危险来追求真理了,自己不关心一下也不合适,于是盖尔曼开始和费里奇一起琢磨新的模型。

他们意识到只要再增加一个量子数就可以解决这个问题,用什么好呢?开始已经用了上下,这次总不能用左右吧,再说了左右和上下都是方位词,根本就看不出新奇之处来,费尔蒙从法国国旗中得到了灵感,决定用颜色来命名新的量子数,其实这也不太新,费曼早就用颜色指代过不同的中微子,不管那么多了,新的夸克方案中夸克可能具有三种颜色,分别是红白蓝,这就是法国国旗的颜色,不过这颜色命名有一点不科学,后来还是改成了三原色蓝红绿,因为这样的话,三个夸克凑一块就成了白色,这就是量子数为零了,所以质子中子就没有这个量子数了,不过要注意,夸克的'色'并不是真的夸克有颜色,这只是一种代称,是量子自由度的一个称号。

现在泡利的问题就解决了,质子就由一个蓝上夸克一个红上夸克和一个绿下夸克组成,中子就是一个蓝上夸克一个红下夸克一个绿下夸克构成,再也没有量子数完全相同的夸克了,夸克的数量也扩大了三倍。

现在看下一个问题,夸克如何在强子内部又可以自由溜达还可以抱团,在我们一般印象中,都是离的越近吸引力越大,电磁力万有引力都是如此,要是以这种观点来看的话,确实夸克不能随意溜达,只能紧紧地抱在一起,可是夸克不是靠万有引力和电磁力在一起,它们靠的是核力,经过试验和分析,人们发现夸克间的核力有一种特殊的性质,那就是渐近自由,简单来说,就是离得越近之间的核力越小,小到可以四处溜达,离的越远之间的核力越大,大到看起来就是一个质子,好了,终于又解决了一个问题。

还是来看终极问题吧,这就是夸克禁闭问题,为什么从来没有见到一个个的单独夸克呢?刚才说了一个渐进自由,随着夸克间距离越来越大核力也越来越大,用这个是不是可以解释夸克禁闭呢?就是因为核力越来越大所以夸克就飞不出来,可是我们可以增加能量呀,把能量增加大可以超过核力,那怎么还是看不到单独的夸克呢?

关于这一点目前还没有很好的解释,有一种猜想是这样的。随着能量越来越大,就在夸克要飞出来的时候,这个能量已经大到足以在真空中出现一对正反夸克,出现的反夸克会立即和飞出来的夸克配对形成一个介子,另一个夸克会立即取代原来夸克在强子中的位置。

不管怎么说,夸克理论已经站住脚了,可是事情还没有结束,下面该中国人登场了。

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