這是我們發(fā)布的物理學(xué)專欄的第五篇，也是《費(fèi)曼物理》第一冊(cè)第2章的最后內(nèi)容。
前篇我們介紹了量子力學(xué)的最基本觀念“不確定原理”和“實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可預(yù)測(cè)性”，并提到“物理學(xué)中迄今最成功的的理論”——量子電動(dòng)力學(xué)（電磁理論）的適用范圍：除萬有引力和原子核過程外一切通?，F(xiàn)象的基本法則。
那么，原子核過程的基本法則是什么呢？
這就是今天的主題：原子核與粒子。
原子核與粒子
原子核是由什么組成的？它們又是怎么結(jié)合在一起的？質(zhì)子和中子是基本粒子嗎？
人們發(fā)現(xiàn)，原子核是靠巨大的力（核力）結(jié)合在一起的。把原子核松綁時(shí)會(huì)釋放出巨大的能量，該能量與化學(xué)能之比，就是：
這是當(dāng)然的。因?yàn)樵訌椗c原子核內(nèi)的變化有關(guān)，而TNT與原子外層電子的改變有關(guān)。問題是：這種把質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的力到底是一種什么力？ 質(zhì)子和質(zhì)子之間巨大的電斥力是靠什么抵抗的？
湯川秀樹提出：正像電相互作用可以與一種粒子——光子聯(lián)系起來一樣，中子與質(zhì)子之間的作用力也有某種場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)場(chǎng)振動(dòng)時(shí)，其行為像一個(gè)粒子（介子理論，1935）。因此除去中子與質(zhì)子之外，世界上還應(yīng)有一些別的粒子，并且湯川從已知的核力特征推出了這些粒子的性質(zhì)。
用光子交換表示電磁相互作用：如果將倆帶電粒子（物體）比作站在冰面上的兩個(gè)人，光子就像一只小皮球，兩人可以通過拋接球來互相影響對(duì)方（電磁相互作用）。小皮球的飛行速度（光速）就是電磁相互作用的傳遞速度。同理，我們也想在核過程中找到一只類似的小皮球，來表示核子之間的相互作用（強(qiáng)核力）。
比如，他預(yù)言，它們的質(zhì)量應(yīng)是電子的兩三百倍；——人們還真在宇宙線里發(fā)現(xiàn)了這樣質(zhì)量的粒子！……但是，后來發(fā)現(xiàn)這并不是湯川預(yù)言的粒子，它被稱為μ介子（實(shí)際上，它是一個(gè)輕子，所以現(xiàn)在被正式稱作：μ子）。
然而，沒多久，在1947年前后，就發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)粒子——π介子，它滿足湯川的判據(jù)。于是你說：“真棒！有了這個(gè)理論，我們就可以用質(zhì)子、中子加π介子，建立起量子核動(dòng)力學(xué)了！只要看看它行不行，如果行，那萬事萬物都可以解釋了！”
可惜的是，后來發(fā)現(xiàn)，這個(gè)理論中的計(jì)算是如此困難，以至20年過去，都沒人能從這個(gè)理論中算出點(diǎn)什么結(jié)果來，或者能用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證它一下。
量子核動(dòng)力學(xué)不了了之……π介子不是那個(gè)小皮球
——但湯川秀樹仍因預(yù)言了介子的存在而獲得了1949年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
所以，大家都被這個(gè)理論難住了。雖然不知它是對(duì)是錯(cuò)，但它確實(shí)是有點(diǎn)毛病，至少是不完備的。正當(dāng)大家在理論上徘徊不前時(shí)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)了一些東西：
比如，他們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)了μ子，但在理論中卻沒有它的位置。另外，在宇宙線里還發(fā)現(xiàn)大量其他“額外”的粒子?？晌覀儏s無法理解這些粒子之間的關(guān)系：大自然要這些粒子做什么？這些粒子之間有什么聯(lián)系？有沒有什么好的理論，可以把它們統(tǒng)一起來，使得它們可以被看成是同一事物的不同側(cè)面？
由于量子電動(dòng)力學(xué)的巨大成功，當(dāng)時(shí)已經(jīng)具備一定的核物理學(xué)知識(shí)。但它們還是粗糙的、半經(jīng)驗(yàn)半理論的：它假設(shè)質(zhì)子與中子之間的力為某一類型，然后看看會(huì)有什么結(jié)果，而不真正理解力的來源。除此之外，就少有什么進(jìn)展了。
在化學(xué)上，我們也曾有過大量的化學(xué)元素，突然之間，元素之間的關(guān)系，被門捷列夫周期表統(tǒng)一了！比如，位于同一列的元素，鈉和鉀，它們的化學(xué)性質(zhì)幾乎是相同的?！?yàn)樗鼈冇邢嗤淖钔鈱与娮訑?shù)！
元素周期表
對(duì)于現(xiàn)在說的這些新粒子，能不能也有一張這樣的表呢？
（能不能找到某種歸類方法，用最少的基元把它們統(tǒng)一起來？就像用核外電子數(shù)把化學(xué)元素統(tǒng)一起來一樣？）
曾經(jīng)有過一張，在1953年。它是由美國的蓋爾曼和日本的西島各自獨(dú)立作出的。它的分類基礎(chǔ)是一個(gè)新的數(shù)，類似于電子的電荷，叫做——“奇異數(shù)”S。每個(gè)粒子都有一個(gè)S值，在核力引發(fā)的過程中，它們就像電荷一樣是守恒的。
下面就是這張表，為了讓它更易讀，我們作了一些標(biāo)記。
——但它對(duì)多數(shù)人來說依然是難讀的。
——好在我們現(xiàn)在可以不用讀它了！因?yàn)橐呀?jīng)有了更好的理論?。ㄕ?qǐng)感受一下早期粒子研究的繁瑣與困難，接著往下拉吧^_^）
19世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)的粒子：實(shí)線表示粒子，虛線表示“共振態(tài)”（壽命極短而無法被直接探測(cè)到的粒子）。每個(gè)粒子下寫著它的質(zhì)量，單位MeV（兆電子伏）。1MeV = 1.782×10-37 克。質(zhì)量大的粒子在較高位置，垂直欄內(nèi)的粒子帶有相同電荷，中性粒子在中間，帶正電粒子在右邊，帶負(fù)電粒子在左邊。
所有與中子、質(zhì)子放在一起（按質(zhì)量）的粒子統(tǒng)稱為重子。除重子外，其它卷入核內(nèi)相互作用的粒子稱為介子。（重子和介子因與強(qiáng)核力有關(guān)，被統(tǒng)稱為強(qiáng)子。）每個(gè)粒子都有反粒子，除非一個(gè)粒子是它自己的反粒子。（反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有的內(nèi)部相加性量子數(shù)，如電荷、重子數(shù)、奇異數(shù)等都與正常粒子大小相同、符號(hào)相反。）
表中略去了兩個(gè)重要的零質(zhì)量、零電荷粒子——光子與引力子，它們不屬于重子－介子－輕子分類圖。此外，還有某些較新的共振態(tài)也不包括在內(nèi)。除去電子、中微子、光子、引力子和質(zhì)子外，所有的粒子都是不穩(wěn)定的。輕子沒有奇異數(shù)，因?yàn)樗鼈?strong>與核之間沒有強(qiáng)作用。
表中還略去了電子和μ子（它們也是輕子），它們的差別僅在于質(zhì)量不同，μ子比電子重。另外，還有一種輕子是中性的，叫做中微子，具有零質(zhì)量，已發(fā)現(xiàn)的有兩種，一類與電子有關(guān)，另一類與μ子有關(guān)。
什么是“零質(zhì)量”呢？這里說的是粒子靜止時(shí)的質(zhì)量。一個(gè)粒子具有零質(zhì)量意味著它不可能靜止。例如：光子，它總是以每秒300,000千米的速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們?cè)谶m當(dāng)時(shí)候?qū)W過相對(duì)論之后，對(duì)質(zhì)量就會(huì)懂得更多一些。
這樣，我們就面對(duì)著一大群粒子（截至60年代末， 200多種！愁煞理論物理學(xué)家），它們看來都像是物質(zhì)的基本組成部分。
——可是我們并不想面對(duì)這樣龐大的一個(gè)“基本粒子”家族……難道它們都是基本粒子嗎？
提出該粒子圖的蓋爾曼顯然也不想面對(duì)。
莫里·蓋爾曼：1953年和西島分別獨(dú)立作出初期粒子圖；1964年又和喬治·茨威格分別獨(dú)立提出夸克模型，并因此獲得1969年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
他天天鉆研，觀察各種數(shù)據(jù)，終于有一天福至心靈，說道：
基本粒子不基本，基本電荷非整數(shù)！
——這是觀念上的重大進(jìn)步！從此粒子的統(tǒng)一柳暗花明！
在此之前，我們其實(shí)早就發(fā)現(xiàn)粒子之間的相互作用有規(guī)則可尋，并且成功將其分成了四類：強(qiáng)相互作用（強(qiáng)核力）、電磁相互作用、弱相互作用（弱核力）和引力。
——連耦合關(guān)系和強(qiáng)度都知道了：
| 耦合關(guān)系 | 強(qiáng) 度 | 定 律 |
|---|---|---|
| 光子對(duì)帶電粒子 | 1/137 | 量子電動(dòng)力學(xué) |
| 引力對(duì)所有其他質(zhì)量（能量） | ~10-40 | 萬有引力定律 |
| 弱作用（β衰變） | ~10-5 | ？ |
| 介子對(duì)重子（即：強(qiáng)子之間） | 1 | ？ |
60年代對(duì)四種基本相互作用的理解。強(qiáng)度是指包含在每種相互作用中的耦合常數(shù)的無量綱的量度。實(shí)際上，所有的亞原子衰變都被歸結(jié)為弱力，——如β衰變、μ子衰變、π介子衰變等，都是由弱力引發(fā)，且只能由弱力引發(fā)。強(qiáng)相互作用則只發(fā)生在強(qiáng)子之間（或之內(nèi)），例如：使質(zhì)子抵抗電斥力而束縛在一起，以及和中子結(jié)合在一起形成各種原子核。
那我們?yōu)槭裁床挥媚撤N帶分?jǐn)?shù)電荷的基元把強(qiáng)子先統(tǒng)一起來呢？然后只要將強(qiáng)相互作用看作僅存在于這種基元之間的相互作用，再找到一種“小皮球”作為傳遞這種強(qiáng)相互作用的媒介，就萬事好說了！
（一頓操作猛如虎……過程略……總之，——又是一次數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化上的重大勝利?。?/p>
這個(gè)基元就是夸克。這個(gè)小皮球就是膠子！ 強(qiáng)相互作用就像這樣：
于是重子被描述為由三個(gè)夸克組成的復(fù)合粒子，介子被描述為由一對(duì)正、反夸克組成的粒子。強(qiáng)相互作用被看做是僅存在于夸克與夸克之間的相互作用（以膠子為媒介）。
在夸克模型下，質(zhì)子和中子是這樣的：
兩上/一下組成質(zhì)子，兩下/一上組成中子
（上帶電2/3e，下帶電-1/3e）
由質(zhì)子和中子形成的原子核是這樣的：
π介子是這樣的：
這些紅的、綠的、藍(lán)的東西就是夸克，上面的字母表示它的種類（稱作“味”）。連接夸克的小彈簧一樣的東西就是膠子。因?yàn)?strong>強(qiáng)相互作用有一個(gè)特征：距離越遠(yuǎn)，強(qiáng)度越大（這和電磁力、引力都截然不同），所以我們就用一個(gè)小彈簧來形象地表示它。膠子將中子、質(zhì)子等緊緊束縛在一起，形成各種原子核。
那……夸克怎么還有顏色呢？這就是更進(jìn)一步的描述了。為了表現(xiàn)一種稱之為“夸克禁閉”的粒子特性，我們類比電荷與電荷之間的相互作用，引入色荷的概念，將強(qiáng)相互作用看做是帶不同色荷（紅、綠、藍(lán)，定義三色組合為無色）的夸克之間的相互作用，并由此發(fā)展出了一門描述強(qiáng)核力的理論——量子色動(dòng)力學(xué)！
“夸克禁閉”是指夸克不能單獨(dú)存在，而只能以色荷為零的組合（三色一組的重子，或正、反色一組的介子，即：強(qiáng)子）存在，因?yàn)榱孔由珓?dòng)力學(xué)認(rèn)為，普通物質(zhì)（粒子）是沒有“色”的。所以，中子、質(zhì)子、π介子等強(qiáng)子在物理上其實(shí)也是不可再分的，而只能通過其中的夸克味變來變成其他粒子。
例如，在β衰變中，一個(gè)中子（的一個(gè)下夸克味變?yōu)樯峡淇耍┳兂梢粋€(gè)質(zhì)子，釋放出一個(gè)電子和一個(gè)中微子。β粒子（高能電子）可看做是核子在不同狀態(tài)之間躍遷的產(chǎn)物，事先并不存在于核內(nèi)。所以,引起β衰變的是電子-中微子場(chǎng)同原子核的相互作用，這種作用屬于弱相互作用。
——值得一提的是，由于弱相互作用與電磁相互作用的這種相似性，現(xiàn)已發(fā)展出一門理論：電弱統(tǒng)一理論。下一步；我們還想把引力和強(qiáng)核力也統(tǒng)一起來。
有了這個(gè)夸克模型，大伙兒群策群力，又一頓砍瓜切菜，把其他粒子也一并解決了。這就是最最后出現(xiàn)的：
——粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型！
標(biāo)準(zhǔn)模型完美整合了之前提到的所有粒子，并將它們統(tǒng)分為兩類：組成物質(zhì)的費(fèi)米子，和傳遞各種相互作用的玻色子（即之前提到的“小皮球”，又稱“交換粒子”或“媒介子”）。
在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，每味夸克有三色；每個(gè)粒子都有反粒子；先后發(fā)現(xiàn)三代費(fèi)米子（第一代：組成所有普通物質(zhì)；第二代/第三代：只能在高能實(shí)驗(yàn)中制造，并會(huì)在短時(shí)間內(nèi)衰變?yōu)榈谝淮Ｗ?；每一代（縱列）的四種粒子與另一代相對(duì)應(yīng)的四種粒子的性質(zhì)幾乎一樣，唯一區(qū)別只是質(zhì)量不同）；它們之間通過交換右邊的四種玻色子發(fā)生相互作用（圖中略去了尚不明確的希格斯玻色子）
在標(biāo)準(zhǔn)模型理論下，所有四種相互作用都被看作是由某種粒子的交換來實(shí)現(xiàn)，如下圖：
| 相互作用 | 作用對(duì)象 | 交換粒子 |
|---|---|---|
| 電磁相互作用 | 帶電物體 | 虛光子 |
| 弱相互作用 | 所有基本粒子 | W+、W-和Z0玻色子 |
| 強(qiáng)相互作用 | 夸克 | 膠子 |
| （引力） | 有質(zhì)量的物體 | （引力子） |
在標(biāo)準(zhǔn)模型中，引力還未能被描述。而弱作用和電磁相互作用已被弱電統(tǒng)一理論統(tǒng)一了。如果我們能發(fā)現(xiàn)引力子，那么引力也能被納入其中。
這就是當(dāng)代物理學(xué)的狀況?？偨Y(jié)起來，我們可以這樣說，在原子核外，看來什么都知道了；在核內(nèi)，量子力學(xué)是成立的，還沒有發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)的原理在那里失效?？梢哉f：容納我們所有知識(shí)的舞臺(tái)是相對(duì)論性時(shí)-空；引力或許就包括在時(shí)-空之中。
我們不知道宇宙是怎樣開始的，我們從未做過實(shí)驗(yàn)來精確地檢驗(yàn)過在某個(gè)微小距離下的時(shí)-空觀念，所以只能確知，在大于那個(gè)距離的尺度上我們的觀念是成立的。
我們還應(yīng)當(dāng)加上：這場(chǎng)弈棋的規(guī)則就是量子力學(xué)的原理，就我們迄今所知，這些原理像適用于已知的老粒子一樣適用于新發(fā)現(xiàn)的粒子。
核力的起源將我們引向它們，我們摸索著一路前進(jìn)，已逐漸趨于對(duì)亞原子粒子世界的理解。但我們還不清楚，在這種摸索中，我們還要走多遠(yuǎn)……
呼！
最艱難的部分終于更完了！我們的新物理學(xué)大廈就算竣工了！剩下的就是好好修葺它了！
現(xiàn)在，大家對(duì)于這個(gè)世界有沒有理解得更多一些呢？關(guān)于“物理現(xiàn)象的分類與統(tǒng)一”的思想，關(guān)于“實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的思想，有沒有所感悟呢？
今天，我們沒有問題，也沒有段子！讓我們好好消化一下這一章內(nèi)容吧！
后面，我們還會(huì)帶著這些行囊繼續(xù)上路，去攻克更多具體的問題！
——勇敢的你，是不是已經(jīng)決定加入我們的征程呢？
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