這個物質世界是由什麼構成的？之三

知識 08-07

組成萬物的最小構造是什麼？

書接上文。這個物質世界是由什麼構成的？之二

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人類從20世紀30年代開始建造粒子加速器，一直到1960年代，總共發現的粒子總數多達200多種。「粒子動物園」里的這些200多種粒子，難道都是基本粒子？

當然不是，這其中大部分來自於宇宙射線，很多都是跟強相互作用（強核力）有關的共振粒子，壽命超級短，只能存在10^-23秒，要比我們常說的『剎那』短得多（10^-23秒＜1/75秒）。

所以，你用不著頭疼！相反，發現這些粒子，大大促進了粒子物理和統一理論的研究與構建。

藝術家渲染的夸克模型

這當中，有一個最重要的粒子發現——夸克。

從1950年代開始，實驗物理學家們利用高能粒子加速器，把質子、中子擊碎，蹦出一大堆陌生的新粒子，在氣泡室影像中留下微小的氣泡軌跡——難道這些小小的粒子就是人類要找的基本粒子嗎？它們又有什麼奇異特性？

蓋爾曼建立了經典的「夸克模型」

揭開這個謎底的是，美國物理學家默里·蓋爾曼。從起名字到建模型。

1963年，當時正在讀詹姆斯·喬伊斯小說《芬尼根守靈夜》的他，恰好看到一句「向馬克老大叫三聲夸克！」於是，就把這種新粒子命名為夸克（Quark），雖然這個單詞並沒有什麼具體含義，但讀起來朗朗上口，並帶有點奇異、神秘的味道，同時又跟數字3有關——就這樣，構成物質更基本的新粒子有了一個酷名字：夸克。

一年後的1964年，蓋爾曼建立了經典的「夸克模型」。

恰巧就在同一年，美國另一位物理學家喬治·茨威格，同樣獨立提出了類似的理論，只是不叫夸克，而是叫艾斯（Aces，撲克牌中的A）。

夸克共有6種，也叫6味，其實跟味道沒有任何關係，跟顏色也沒有關係，因為遠遠小於可見光。從第一代延伸到第三代，並且發現它們參與宇宙間的4種基本力——引力、電磁力、強核力（強相互作用）、弱核力（弱相互作用）。

之後，物理學家又發現了一些基本粒子，比如把夸克膠合在一起構成質子的膠子；跟6種夸克相反的反夸克；傳遞除了引力外3種基本力的規範玻色子……

於是，絕頂聰明的物理學家們，開始拼合出粒子物理世界的標準模型。這意味著：物理世界最基本的構造拼圖，不僅被拼接呈現出來，而且結構精巧，組合巧妙！

這就是粒子物理的標準模型，一套描述強核力、弱核力、電磁力3種基本力，以及組成所有物質的基本粒子的理論模型。

下面我們來簡要解讀一下：

從自旋的角度，所有的基本粒子分為兩大類——費米子、玻色子：

自旋為半整數的粒子稱為費米子；自旋為整數的粒子為玻色子。

為什麼要特彆強調自旋呢？因為自旋是粒子的主要屬性，自旋不同，粒子能量也不同，比如費米子符合費米-狄拉克統計規律，玻色子符合玻色-愛因斯坦統計規律。

從結構的角度，所有的微觀粒子又可以分為兩大類——基本粒子、複合粒子：

目前基本粒子總數量有61種（也有說62種的，包括引力子），但最主要的只有4×4=16種。

標準模型中共有12種費米子：6種夸克、6種輕子。

夸克共有6種（也叫6味）：上、下、粲（讀作càn，也叫魅夸克）、奇、底、頂。主要參與強核力（強相互作用）。

輕子也有6種（也叫6味），跟夸克相反，並不參與強核力（強相互作用）。電子就是宇宙間最常見最穩定的輕子，還有中微子、陶輕子、緲輕子等。

標準模型中共有4種規範玻色子，包括光子、膠子、Z玻色子、W玻色子，都屬於宇宙間4種基本力的載體粒子——就像送包裹的快遞小哥、傳播花粉的蜜蜂一樣。

光子，大家最熟悉了，就是跟電子眉來眼去、傳遞電磁力的粒子；膠子，就是把夸克膠合在一起構成質子的粒子；Z和W玻色子，是傳遞弱核力、讓原子衰變的粒子。

標準模型中，還有1種特別版的玻色子——希格斯玻色子。

很多人聽說過所謂的「上帝粒子」，對，就是指的它。之所以敢這麼叫，主要是因為在標準模型預言的61種基本粒子中，它是最後一種被實驗證實的粒子。

2013年3月14日，歐洲核子研究中心有意選在愛因斯坦誕辰日宣布發現了希格斯玻色子。這意味著：物理世界最小最基本的構造拼圖——拼接完成，標準模型終告完成！

事實上，真的大功告成了嗎？微觀物理世界，真的再沒啥可以探索了嗎？

當然不是！

標準模型中並不包括宇宙間4種基本力之一——引力，以及假想中的引力子（目前為止尚未找到任何存在的證據）。

標準模型，距離物理學界最完美的追求——萬有理論，還相差甚遠！

標準模型，更沒包括占整個宇宙96%的暗能量、暗物質——這些宇宙神秘構成的基本構造。

因為我們甚至連它們是什麼，都還沒搞清楚！

不過，這就是科學——科學的本質，就像拉丁文的詞根一樣——「弄清楚，搞明白」！

下面讓我們再來梳理一下——構成人類可觀測物質世界的最小構造圖景，是不是看起來也並不那麼複雜了？

（需要注意的是，費米子、玻色子是對夸克、輕子等基本粒子的另外一種叫法，並不存在夸克、輕子再細分為費米子、玻色子的邏輯關係。）

最後，進入問答環節——

為什麼科學家這麼肯定，夸克就是我們要找的基本粒子？

簡單來說，這是因為現有技術無法再繼續細分下去了。

我們知道，可見光的波長要比原子尺度大得多，所以不可能用通常方法的去「看見」原子的內部結構，只能利用高能粒子加速器去轟開微觀粒子，通過軌跡、性狀等判斷是否還有更小更新的粒子。

量子力學告訴我們，所有粒子都是波，粒子的能量越高，對應的波長就越短，可能轟開的粒子就越小。所以，要想細分更小的粒子，就得擁有更加強大的高能加速器。

目前全世界最大的粒子加速器——歐洲大型強子對撞機，最高能量是13TeV（13萬億電子伏特，一個電子從一個伏特的電場所得到的能量，就是一個電子伏特）。

如圖所示，加速器最高能量所對應的微觀尺度就是10^-18米，這正是夸克、電子以及其他基本粒子的尺度（相當於一根頭髮絲直徑的1000萬億分之一），這就是人類目前的觀測尺度極限。

要想再往下細分——轟開夸克，就得大幅提高加速器的能級，這對於現階段人類科技水平來說，是太可能的。因為這已經是最高水平啦。所以更嚴格上說，夸克作為基本粒子，是現階段的基本粒子，是被人為定義的物質構成的最小單位。

有人可能會追問，弦論里的「弦」不是更小更細嗎？

弦論，目前都還是假說，未被任何實證的理論。

首先我要說的是有關弦論，目前都還是假說，未被任何實證的理論。也許未來某一天會被證明，但那是未來的事兒，不是現在科學殿堂的藏品。

不過話說回來，這些假說的確都是正經八百的大科學家在研究和思考的。既然說到這兒了，我們也不妨簡單瞥一眼——弦論認為，所有粒子都是由弦構成的，微小、弦狀的振動細絲構成了微觀世界，弦也是整個宏觀物質世界的最小構造。

這些弦到底有多小呢？

弦長有1.616252×10^-35米，這個尺度在物理學上被稱為普朗克長度，是以量子力學開山始祖普朗克命名的。

為什麼科學家要設定這個最小尺度呢？因為這是目前人類科學體系的認知邊界，也就是廣義相對論適用的最小理論尺度，超過這個尺度廣義相對論就不成立了。這就是說，普朗克長度是人為設定的最小長度。

那麼，它到底有多小呢？你可以想像一下，如果把一個原子放大到整個可觀測宇宙那麼大（直徑930億光年），經過等比例放大的普朗克長度（一根弦的長度），只有一棵樹的那麼高！

為什麼要花如此大的力氣，刨根問底搞清楚物質的深層結構呢？

我認為還是《三體》作者劉慈欣先生說得最清楚最透徹，借用他的金句——

科技的全面發展取決於基礎科學的發展，而基礎科學的基礎又在於對物質深層結構的探索，探索物質深層結構最有效的途徑就是大型高能加速器。

打個比方，加速器是我們的算盤和計算器，只有通過它，才能發明電子計算機。

歐洲大型強子對撞機LHC

這就印證了人家歐洲科學界為什麼敢為天下先——歐洲核子研究中心旗下的大型強子對撞機LHC，能夠成為人類史上最複雜的科學實驗設施，能夠吸引來自85個國家、超過1萬名科學家、工程師投入其中，LHC建在175米深、27公里長的隧道里，總投資75億歐元——所以才能碩果累累：被譽為【上帝粒子】的希格斯玻色子，今年3月破天荒同時發現5個新粒子，新近找到的【天使粒子】馬約拉納費米子……

再看我們，目前還木有這種高精尖的科學利器，有的只是1984年建成的北京正負電子對撞機，雖然2004年鳥槍換炮了，但依然不是尖端武器！