颠覆旧识：新物理学大厦的落成（下）

这是我们发布的物理学专栏的第五篇，也是《费曼物理》第一册第2章的最后内容。

前篇我们介绍了量子力学的最基本观念“不确定原理”和“实验结果的不可预测性”，并提到“物理学中迄今最成功的的理论”——量子电动力学（电磁理论）的适用范围：除万有引力和原子核过程外一切通常现象的基本法则。

那么，原子核过程的基本法则是什么呢？

这就是今天的主题：原子核与粒子。

原子核与粒子

原子核是由什么组成的？它们又是怎么结合在一起的？质子和中子是基本粒子吗？

人们发现，原子核是靠巨大的力（核力）结合在一起的。把原子核松绑时会释放出巨大的能量，该能量与化学能之比，就是：

这是当然的。因为原子弹与原子核内的变化有关，而TNT与原子外层电子的改变有关。问题是：这种把质子和中子结合在一起的力到底是一种什么力？ 质子和质子之间巨大的电斥力是靠什么抵抗的？

汤川秀树提出：正像电相互作用可以与一种粒子——光子联系起来一样，中子与质子之间的作用力也有某种场，当这个场振动时，其行为像一个粒子（介子理论，1935）。因此除去中子与质子之外，世界上还应有一些别的粒子，并且汤川从已知的核力特征推出了这些粒子的性质。

用光子交换表示电磁相互作用：如果将俩带电粒子（物体）比作站在冰面上的两个人，光子就像一只小皮球，两人可以通过抛接球来互相影响对方（电磁相互作用）。小皮球的飞行速度（光速）就是电磁相互作用的传递速度。同理，我们也想在核过程中找到一只类似的小皮球，来表示核子之间的相互作用（强核力）。

比如，他预言，它们的质量应是电子的两三百倍；——人们还真在宇宙线里发现了这样质量的粒子！……但是，后来发现这并不是汤川预言的粒子，它被称为μ介子（实际上，它是一个轻子，所以现在被正式称作：μ子）。

然而，没多久，在1947年前后，就发现了另一个粒子——π介子，它满足汤川的判据。于是你说：“真棒！有了这个理论，我们就可以用质子、中子加π介子，建立起量子核动力学了！只要看看它行不行，如果行，那万事万物都可以解释了！”

可惜的是，后来发现，这个理论中的计算是如此困难，以至20年过去，都没人能从这个理论中算出点什么结果来，或者能用实验去验证它一下。

量子核动力学不了了之……π介子不是那个小皮球

——但汤川秀树仍因预言了介子的存在而获得了1949年诺贝尔物理学奖

所以，大家都被这个理论难住了。虽然不知它是对是错，但它确实是有点毛病，至少是不完备的。正当大家在理论上徘徊不前时，实验物理学家却发现了一些东西：

比如，他们早就发现了μ子，但在理论中却没有它的位置。另外，在宇宙线里还发现大量其他“额外”的粒子。可我们却无法理解这些粒子之间的关系：大自然要这些粒子做什么？这些粒子之间有什么联系？有没有什么好的理论，可以把它们统一起来，使得它们可以被看成是同一事物的不同侧面？

由于量子电动力学的巨大成功，当时已经具备一定的核物理学知识。但它们还是粗糙的、半经验半理论的：它假设质子与中子之间的力为某一类型，然后看看会有什么结果，而不真正理解力的来源。除此之外，就少有什么进展了。

在化学上，我们也曾有过大量的化学元素，突然之间，元素之间的关系，被门捷列夫周期表统一了！比如，位于同一列的元素，钠和钾，它们的化学性质几乎是相同的。——因为它们有相同的最外层电子数！ 

 元素周期表

对于现在说的这些新粒子，能不能也有一张这样的表呢？

（能不能找到某种归类方法，用最少的基元把它们统一起来？就像用核外电子数把化学元素统一起来一样？）

曾经有过一张，在1953年。它是由美国的盖尔曼和日本的西岛各自独立作出的。它的分类基础是一个新的数，类似于电子的电荷，叫做——“奇异数”S。每个粒子都有一个S值，在核力引发的过程中，它们就像电荷一样是守恒的。

下面就是这张表，为了让它更易读，我们作了一些标记。

——但它对多数人来说依然是难读的。

——好在我们现在可以不用读它了！因为已经有了更好的理论！（请感受一下早期粒子研究的繁琐与困难，接着往下拉吧^_^）

19世纪50年代发现的粒子：实线表示粒子，虚线表示“共振态”（寿命极短而无法被直接探测到的粒子）。每个粒子下写着它的质量，单位MeV（兆电子伏）。1MeV = 1.782×10^-37 克。质量大的粒子在较高位置，垂直栏内的粒子带有相同电荷，中性粒子在中间，带正电粒子在右边，带负电粒子在左边。

所有与中子、质子放在一起（按质量）的粒子统称为重子。除重子外，其它卷入核内相互作用的粒子称为介子。（重子和介子因与强核力有关，被统称为强子。）每个粒子都有反粒子，除非一个粒子是它自己的反粒子。（反粒子的质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但是所有的内部相加性量子数，如电荷、重子数、奇异数等都与正常粒子大小相同、符号相反。）

表中略去了两个重要的零质量、零电荷粒子——光子与引力子，它们不属于重子－介子－轻子分类图。此外，还有某些较新的共振态也不包括在内。除去电子、中微子、光子、引力子和质子外，所有的粒子都是不稳定的。轻子没有奇异数，因为它们与核之间没有强作用。

表中还略去了电子和μ子（它们也是轻子），它们的差别仅在于质量不同，μ子比电子重。另外，还有一种轻子是中性的，叫做中微子，具有零质量，已发现的有两种，一类与电子有关，另一类与μ子有关。

什么是“零质量”呢？这里说的是粒子静止时的质量。一个粒子具有零质量意味着它不可能静止。例如：光子，它总是以每秒300,000千米的速度运动。当我们在适当时候学过相对论之后，对质量就会懂得更多一些。

这样，我们就面对着一大群粒子（截至60年代末， 200多种！愁煞理论物理学家），它们看来都像是物质的基本组成部分。

——可是我们并不想面对这样庞大的一个“基本粒子”家族……难道它们都是基本粒子吗？

提出该粒子图的盖尔曼显然也不想面对。

莫里·盖尔曼：1953年和西岛分别独立作出初期粒子图；1964年又和乔治·茨威格分别独立提出夸克模型，并因此获得1969年诺贝尔物理学奖

他天天钻研，观察各种数据，终于有一天福至心灵，说道：

基本粒子不基本，基本电荷非整数！

——这是观念上的重大进步！从此粒子的统一柳暗花明！ 

在此之前，我们其实早就发现粒子之间的相互作用有规则可寻，并且成功将其分成了四类：强相互作用（强核力）、电磁相互作用、弱相互作用（弱核力）和引力。

——连耦合关系和强度都知道了： 

耦合关系	强  度	定  律
光子对带电粒子	1/137	量子电动力学
引力对所有其他质量（能量）	~10^-40	万有引力定律
弱作用（β衰变）	~10^-5	？
介子对重子（即：强子之间）	1	？

60年代对四种基本相互作用的理解。强度是指包含在每种相互作用中的耦合常数的无量纲的量度。实际上，所有的亚原子衰变都被归结为弱力，——如β衰变、μ子衰变、π介子衰变等，都是由弱力引发，且只能由弱力引发。强相互作用则只发生在强子之间（或之内），例如：使质子抵抗电斥力而束缚在一起，以及和中子结合在一起形成各种原子核。

那我们为什么不用某种带分数电荷的基元把强子先统一起来呢？然后只要将强相互作用看作仅存在于这种基元之间的相互作用，再找到一种“小皮球”作为传递这种强相互作用的媒介，就万事好说了！ 

（一顿操作猛如虎……过程略……总之，——又是一次数学模型简化上的重大胜利！）

这个基元就是夸克。这个小皮球就是胶子！ 强相互作用就像这样：

于是重子被描述为由三个夸克组成的复合粒子，介子被描述为由一对正、反夸克组成的粒子。强相互作用被看做是仅存在于夸克与夸克之间的相互作用（以胶子为媒介）。

在夸克模型下，质子和中子是这样的：

两上/一下组成质子，两下/一上组成中子

（上带电2/3e，下带电-1/3e）

由质子和中子形成的原子核是这样的：

π介子是这样的：

这些红的、绿的、蓝的东西就是夸克，上面的字母表示它的种类（称作“味”）。连接夸克的小弹簧一样的东西就是胶子。因为强相互作用有一个特征：距离越远，强度越大（这和电磁力、引力都截然不同），所以我们就用一个小弹簧来形象地表示它。胶子将中子、质子等紧紧束缚在一起，形成各种原子核。

那……夸克怎么还有颜色呢？这就是更进一步的描述了。为了表现一种称之为“夸克禁闭”的粒子特性，我们类比电荷与电荷之间的相互作用，引入色荷的概念，将强相互作用看做是带不同色荷（红、绿、蓝，定义三色组合为无色）的夸克之间的相互作用，并由此发展出了一门描述强核力的理论——量子色动力学！ 

“夸克禁闭”是指夸克不能单独存在，而只能以色荷为零的组合（三色一组的重子，或正、反色一组的介子，即：强子）存在，因为量子色动力学认为，普通物质（粒子）是没有“色”的。所以，中子、质子、π介子等强子在物理上其实也是不可再分的，而只能通过其中的夸克味变来变成其他粒子。

例如，在β衰变中，一个中子（的一个下夸克味变为上夸克）变成一个质子，释放出一个电子和一个中微子。β粒子（高能电子）可看做是核子在不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于核内。所以,引起β衰变的是电子-中微子场同原子核的相互作用，这种作用属于弱相互作用。

——值得一提的是，由于弱相互作用与电磁相互作用的这种相似性，现已发展出一门理论：电弱统一理论。下一步；我们还想把引力和强核力也统一起来。

有了这个夸克模型，大伙儿群策群力，又一顿砍瓜切菜，把其他粒子也一并解决了。这就是最最后出现的：

——粒子物理标准模型！

标准模型完美整合了之前提到的所有粒子，并将它们统分为两类：组成物质的费米子，和传递各种相互作用的玻色子（即之前提到的“小皮球”，又称“交换粒子”或“媒介子”）。

在粒子物理标准模型中，每味夸克有三色；每个粒子都有反粒子；先后发现三代费米子（第一代：组成所有普通物质；第二代/第三代：只能在高能实验中制造，并会在短时间内衰变为第一代粒子；每一代（纵列）的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一区别只是质量不同）；它们之间通过交换右边的四种玻色子发生相互作用（图中略去了尚不明确的希格斯玻色子）

在标准模型理论下，所有四种相互作用都被看作是由某种粒子的交换来实现，如下图：

相互作用	作用对象	交换粒子
电磁相互作用	带电物体	虚光子
弱相互作用	所有基本粒子	W^+、W^-和Z^0玻色子
强相互作用	夸克	胶子
（引力）	有质量的物体	（引力子）

在标准模型中，引力还未能被描述。而弱作用和电磁相互作用已被弱电统一理论统一了。如果我们能发现引力子，那么引力也能被纳入其中。

这就是当代物理学的状况。总结起来，我们可以这样说，在原子核外，看来什么都知道了；在核内，量子力学是成立的，还没有发现量子力学的原理在那里失效。可以说：容纳我们所有知识的舞台是相对论性时-空；引力或许就包括在时-空之中。

我们不知道宇宙是怎样开始的，我们从未做过实验来精确地检验过在某个微小距离下的时-空观念，所以只能确知，在大于那个距离的尺度上我们的观念是成立的。

我们还应当加上：这场弈棋的规则就是量子力学的原理，就我们迄今所知，这些原理像适用于已知的老粒子一样适用于新发现的粒子。

核力的起源将我们引向它们，我们摸索着一路前进，已逐渐趋于对亚原子粒子世界的理解。但我们还不清楚，在这种摸索中，我们还要走多远……

呼！

最艰难的部分终于更完了！我们的新物理学大厦就算竣工了！剩下的就是好好修葺它了！

现在，大家对于这个世界有没有理解得更多一些呢？关于“物理现象的分类与统一”的思想，关于“实验是检验真理的唯一标准”的思想，有没有所感悟呢？

今天，我们没有问题，也没有段子！让我们好好消化一下这一章内容吧！

后面，我们还会带着这些行囊继续上路，去攻克更多具体的问题！

——勇敢的你，是不是已经决定加入我们的征程呢？