當我們說基本粒子我們在說什麼

這個世界上最小的東西是什麼？讓我們來思考一下這個問題。

世界是由物質和元素構成的，而基本粒子是指人們所認知的構成物質的最小最基本的單位，即在不改變物質屬性的前提下的最小體積物質。那麼基本粒子到底什麼？其實這個問題本身就有問題，基本粒子並不是一種粒子，而是一類粒子。它的發展經歷了三個階段，在不同的階段，人們對於基本粒子的定義和具體所指也有著不同的認識。

基本粒子家族

第一個階段：1897—1937

這正是量子力學萌發和成長的時期，因為當時的科學家的注意力開始從生活中牛頓力學作用的物理轉移到構成世界本質的那些更加玄妙的量子層面上來，簡單說，由可觸的宏觀轉到了難以用實驗驗證的微觀。這時期，科學家們發現了大量的新的粒子，包括電子、中子、正電子等粒子，這是人們對於基本粒子最初的理解和接觸。而第一個被人們所發現的就是電子。

1897年，湯姆遜將一塊塗有硫化鋅的玻璃片覆蓋在陰極射線的傳播途徑上，他發現如果不進行任何干擾，陰極射線會沿著直線行進，但如果在射擊線管的外面加上電場或者磁場，陰極射線就會不可避免地發生偏折。根據其偏折的方向，湯姆遜輕而易舉就判斷出帶電粒子的性質。湯姆遜假定這是一種被電離的原子，即帶負電的「離子」。湯姆遜匠心獨運採用橫向雙聚焦補償法來測量陰極射線粒子的荷質比。結果發現這個比值比電解質中氫離子的比值還要大得多。顯而易見，這種粒子的質量比氫原子的質量要小得多。湯姆遜將自己的研究成功向英國皇家研究所進行了報告。湯姆遜敢於向傳統的觀念發起挑戰，他打破了最小的粒子為原子的科學禁錮，提出這是一種比原子更加微笑的粒子的結論。當時，這個結論引起一片嘩然，但是湯姆遜最終通過實驗數據打敗了那些只會臆測的科學家們，並因此摘取了1906年諾貝爾物理學獎。他發現的正是電子，後來的科學家稱他通過發現電子打開了基本粒子的大門。1932年查德威克在用a粒子轟擊核的實驗中發現了中子，隨即人們認識到原子核是由質子和中子構成的，從而形成所有物質都是由基本的結構單元：質子、中子、電子構成的統一的世界圖像。同年，安德森讓宇宙射線去撞擊威爾遜雲室中的鉛板，然後拍攝照片，發現宇宙射線穿過鉛板之後，軌跡發生了彎曲，有一個未知粒子的軌跡和電子的軌跡完全相同，但是彎曲的方向卻恰好相反。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子，從而在實驗上完全證實了正電子的存在。從此，正電子便正式被列入基本粒子的行列。

第一階段人們認識的基本粒子

第二階段：1937—1964

1936安德森研究宇宙射線時發現一種粒子在穿過磁場時彎曲的形態與已知的粒子不同，它的彎曲度比電子小，卻比質子大，將其命名為μ子，又稱為渺子。宇宙間四個基本作用力為萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力。之前發現的基本粒子都參與強作用，但是渺子卻不參與強作用，科學家將其和與之相伴的μ中微子同電子及與之相伴的電子中微子統稱為輕子。

隨著粒子加速器和粒子探測器的日臻完善，這一階段進入了發現基本粒子的主要時期。以至於當時有個科學家開玩笑說：「明年諾貝爾獎應該頒發給今年沒有發現基本粒子的物理學家。」這階段發現的打量基本粒子都是強子，於是提出了「八重法」將這些強子進行分類。

這一階段理論上最重要的進展是重正化理論的建立和相互作用中對稱性的研究。

粒子對撞機，發現新的粒子

第三階段：1964—現在

從1964年至今是基本粒子一個新階段，以提出強子結構的夸克模型為標誌。經常看科幻小說的讀者對於夸克並不陌生。夸克的提出其實是對基本粒子本身一個有力的衝擊。但在夸克理論提出後，人們認識到基本粒子也有複雜的結構，科學家們開始刻意迴避「基本粒子」這一不夠嚴謹的說法，而是根據作用力的不同，粒子分為強子、輕子和傳播子三大類。說以正確的說法和分類是，夸克互相結合，形成強子（質子和中子都屬於比較穩定的強子），它們是構成原子核的單元。

夸克概念圖

現已發現六種味的夸克，分別是上夸克u、下夸克d、奇異夸克s、魅夸克c（有的稱為粲夸克）、底夸克b以及頂夸克t。前三者是於1964年由蓋耳曼和茲韋克在強子分類「八重法」的基礎上分別提出。它們的電荷、重子數為分數。1974年發現J/ψ粒子，其獨特性質必須引入一種新的魅夸克c ，1979年發現另外一種獨特的新粒子Υ，必須引入第5種夸克，稱為底夸克b。1975年發現重輕子τ，輕子與夸克的對稱性意味著存在第6種頂夸克t。

說到基本粒子，還有另外一種說法，那就是近些年發展起來的弦論。弦論的一個基本觀點就是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的粒子。這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈，閉弦的不同振動和運動就產生出各種不同的基本粒子。這個觀點只作為一種超前的理論來看，在此不做深入探討。

讀到這裡，讀者大概已經明白，當我們談論基本粒子的時候，說的並不僅僅是電子、強子後者夸克，而是一個歷史發展的過程。正如我們談論中國，不可能只看到現在，還要回顧幾千年的文明，以及各個朝代的面貌，這樣才能更加精準地理解一個國家。這正是我們對待基本粒子應有的態度。

責任編輯：李浩

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