科学大唠嗑：物质是什么（15）我知道结果，但是不知道为什么 / 开普饭

科学大唠嗑

张喆

天津市天文学会会员

天津科技馆科普辅导员

动物园也要有秩序

高能粒子物理学的黄金时代出现在20世纪的60年代末到70年代。

量子场论的细节伴随着弱力和电磁力的统一被一点一点的揭示出来，这个时候，强力的性质也慢慢的在物理学家的头脑中逐渐的清晰起来。直到1979年，粒子物理标准模型的理论所包含的组成部分均被提出。这个模型里边囊括了所有已知的基本粒子以及原子和原子核内部的作用力，只是其中的一些比较重的粒子还没有在实验中得到确认。

从20世纪30年代到60年代的这30年间，实验物理学家发现的粒子就像“动物园”一样纷繁复杂。除了质子、中子、电子和中微子之外，还有大量奇怪的新粒子。

粒子动物园

1932年，美国物理学家卡尔·安德森在宇宙射线中发现了狄拉克预言的正电子。4年后，他和另一位美国物理学家塞思·内德梅耶发现了另一种新粒子。这种粒子的行为就像是电子一样，只是质量大约是普通电子的200倍。在人们认识它的过程中，这种粒子有过很多个名字，我们现在称之为μ子。在它被发现的时候，它根本不符合当时已有的任何关于物质组成结构的理论或是看法。

1947年，布里斯托大学的物理学家塞西尔·鲍威尔带领团队在宇宙射线中发现了另外一种新粒子，其质量比μ子略大，是电子的273倍。但是与介子不同的是，这种粒子分别带正电、带负电和电中性，我们称之为π介子。它们就是汤川秀树预言的粒子。

随着探测手段的不断发展，新粒子不断涌现。除了π介子以外，人们还发现了带正电和带负电的K介子以及电中性的Λ粒子。新的粒子名字迅猛增长。面对着这么多的粒子，也就难怪费米在回答一位年轻物理学家的问题时说道：“年轻人，如果我能把这些粒子的名字全都记住，那我就能转行当植物学家了。”

在令人眼花缭乱的新粒子中，一定存在某种潜在的模式。物理学家现在需要找出一种结构赋予这个动物园秩序，把所有怪异而又奇妙的粒子之间的关系解释清楚，就像俄国化学家德米特里·门捷列夫用化学元素周期表把所有化学元素排列得井然有序一样。

一个伟大的发现，夸克

现在，物理学家已经根据粒子各种各样的性质对它们进行了分类，主要分为两类。一类是强子，另一种是轻子。强子受强力、弱力和电磁力的影响，而轻子只受弱力和电磁力的影响。

强子中有一类粒子被称为重子，它们都是较重的粒子，其成员有质子、中子、Λ粒子以及在20世纪50年代被发现的两个系列的粒子——分别被命名为Σ（西格玛）粒子和Ξ（克西）粒子；还有一类被称为介子，它们同样受强力作用，但是质量介于重子和轻子之间，其成员包括π介子和K介子等。

轻子的成员则有电子、μ子、中微子等。

重子和轻子都是费米子，自旋均为半整数。

在20世纪60年代初，盖尔曼和以色列物理学家尤瓦尔·内曼提出，如果想要探明强子的模式，就只能假设它们并不是物质最基本的组成部分，它们由其他更为基本的粒子组成。

物理学家逐渐意识到，我们可以在这些新的基本粒子的基础之上，构建起对物质的性质和组成的新认识。这些新的粒子将会和轻子一起，成为新的“原子”，粒子“动物园”中所有的动物——质子、中子、π介子、K介子、Λ粒子、Σ粒子、Ξ粒子等粒子都是由这些新“原子”组装起来的。

这一模式表明，一个质子或中子需要由两种新的基本粒子组成，并且每个质子或中子都包含3个这种粒子。这个问题正是由盖尔曼自己于1963年发现的。

当盖尔曼还在纠结于这种想法时，他碰巧读到了詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》中的一段：“向麦克老大三呼夸克！”其中“夸克”一词与他当初的给粒子起的名称不完全押韵，但读音十分接近，于是他就用——夸克——作为这种古怪粒子的新名字。

这一模式需要3种夸克，盖尔曼将它们分别称为“上夸克”（u，带电量为+2/3）、“下夸克”（d，带电量为–1/3）以及“奇夸克”（s，更重一些的下夸克，带电量也是–1/3）。

当时已知的所有重子都可以由这3种夸克以不同方式组合得到，而介子则是由夸克和反夸克组合得到的。

上、下、奇这些性质被描述为夸克的“味”，我们可以将其看作一种新的量子数。当然，这并不是说夸克真的能被我们尝出味道来，最好的理解方式是把它当作一种类似于电荷的性质。

夸克和轻子都带有电荷，电荷分为两类：正电和负电。而除了电荷之外，夸克还有味，而在当时夸克的味有3种：上、下、奇。但是我们现在知道，实际上夸克共有6味。

“六味地黄丸”

1970年，人们发现了第4种夸克存在的迹象，它的带电量为+2/3，可以看作是更重一些的上夸克，它被称为粲夸克，但是大多数物理学家还对它的存在持怀疑态度。

到了1974年11月，另一种被称为J/ψ介子的粒子同时被纽约布鲁克海文国家实验室和位于加州的斯坦福直线加速器中心找到。人们发现，这种粒子是由一个粲夸克和一个反粲夸克组成的。至此对粲夸克的怀疑瞬间就结束了。

现在我们还知道了有一种中微子通常与电子为伴，因此又被称为电子中微子。μ子中微子是在1962年被发现的，而在那段时间里，物质世界的基本构件已经形成了两“代”物质粒子。上夸克、下夸克、电子和电子中微子形成了第一代，而奇夸克、粲夸克、μ子和μ子中微子形成了更重的第二代。

1977年另一种更重的电子，被称为τ子，被发现时，人们很快就确认了一定存在第三代物质粒子，这意味着还存在另外一对更重的夸克和一个τ子中微子。

1977年8月，美国物理学家利昂·莱德曼在位于芝加哥的费米实验室中发现了底夸克存在的证据，他和他的同事们找到了由底夸克和反底夸克组成的Υ（宇普西龙）介子。底夸克是第三代夸克中对应于下夸克和奇夸克的更重的版本，其带电量为–1/3。

顶夸克和τ子中微子的发现后来由费米实验室分别于1995年3月和2000年7月公布，它们与底夸克一起组成了更重的第三代粒子。

尽管不能排除存在第四代、第五代甚至更多代粒子的可能性，但是从理论推导和实验结果来看，一些相当具有说服力的证据表明，粒子可能只有三代。

粒子物理标准模型搭建终于完成

夸克模型是一个伟大的想法，但在当时盖尔曼对于自己构想出的粒子居于何种地位相当谨慎，他曾认为，夸克以某种方式被“束缚”在更大的粒子内部，并且把夸克当作一个“数学的”概念。

斯坦福直线加速器中心于1968年进行的实验提供了强有力的证据，表明质子确实是一个包含某种点状成分的复合粒子。当时实验学家还不清楚这些成分是否的确是夸克，不过实验表明，它们非但没有被紧紧地束缚在质子内部，反而如同完全自由的状态一般四处乱逛。

这似乎与夸克由于被束缚在中子和质子的内部并因此尚未被发现的观点相矛盾。如果它们可以自由地随处游荡，那为什么不从质子和中子里面出来呢？

我们通常认为，自然界中的力是集中于一点的，通常是粒子或是“产生”力的物体的中心，离这一点越远，力的强度就越弱。最明显的例子是牛顿引力和电磁力。

但是，普林斯顿大学的理论物理学家戴维·格罗斯和弗兰克·维尔切克以及哈佛大学的理论物理学家戴维·波利策于1973年指出，强力并不遵循这种模式。正相反，它的作用就像是相邻的夸克被一根强力的弹簧连接在一起。当夸克互相靠近时，弹簧松弛，它们之间的力减小。在质子或中子的内部，夸克被束缚在一起，但是互相之间又离得很近，所以能够看似自由地“随处游荡”。

盖尔曼、德国理论物理学家哈拉尔德·弗里奇和瑞士理论物理学家海因里希·洛伊特维勒现在已经拥有了建立一个关于强力的量子场论的所有要素，但这个强力并不是杨振宁和米尔斯在20世纪50年代初关注的质子和中子间的强力，而是一种作用于质子和中子内部夸克之间的更强的力。

现在，我们需要再找到一个新的量子数。盖尔曼和弗里奇在此之前确定了“色”的概念。在他们的理论模型中，每个夸克拥有3种不同的“色荷”就是红、绿、蓝中的一种。

重子是由3种颜色不同的夸克组成的，这样他们的总色荷才能均衡为零或称“色中性”，我们称这样组合成的粒子是“白色”的。

这样一来，粒子物理标准模型的所有内容就都齐全了。它由量子色动力学和电弱场论组成，电弱场论又因为希格斯机制被分割为两个部分，描述弱力场论和量子电动力学的场论，其中囊括三代物质粒子、力粒子和希格斯玻色子。

截至2000年，除了希格斯玻色子之外，所有涉及的粒子均已在实验中被发现。

2012年7月4日，大型强子对撞机宣布发现希格斯玻色子，进一步的数据收集一直持续到2012年12月中旬。在2013年3月举办的一次会议上，两个探测器的实验结果都证实了新粒子的身份。2013年的诺贝尔物理学奖授予了希格斯和恩格勒。

物理学家越来越确信，这就是标准模型中的希格斯玻色子。一篇发表于2015年9月的论文对两个探测器的实验结果进行了总结和评估，结果很明显，新发现的粒子与标准模型所预测的完全一致。

粒子物理标准模型的搭建至此完成。

高能粒子对撞

无限接近却总是找不到终极答案

但是标准模型还是充满了明显的漏洞。标准模型中的所有粒子都有对应的反粒子，反粒子与其对应的粒子具有相同的质量，但电荷相反，比如正电子和电子。当粒子和反粒子发生碰撞时，它们会湮灭，同时产生高能光子。但是，只要反粒子与粒子相互分离，它们就是非常稳定的。

这个现象直接带来的问题就是为什么可观测宇宙是由物质而不是反物质构成的呢？如果在大爆炸后的前几分钟内产生了等量的物质和反物质，为什么它们没有完全湮灭，只留下一个充满光但是没有物质的宇宙呢？

也许在早期宇宙演化的过程中，有一种不为人知的机制稍稍偏向了物质粒子，但是标准模型并没有给出解释为什么会发生这种情况的线索。

接下来就是暗物质之谜。如果想要解释我们今天所看到的宇宙大尺度结构，那么就需要引入另一种形式的物质，它的引力可以被探测到，但是不会发出任何形式的电磁辐射。虽然我们看不见它，但是我们知道它就在那里。标准模型中的任何一种基本构件都不满足暗物质的要求，我们还是不知道它们究竟是什么。

最后，标准模型中也没有引力的位置，而这种力是我们描述大尺度物体所必需的。现在，我们运用广义相对论来处理质能和弯曲时空的大尺度行为，运用量子场论来处理原子和亚原子粒子的强力、弱力和电磁相互作用。但是当我们试图把这两种理论体系结合到一起，创造出某种可以同时适用于上述两种情况的统一理论时，我们发现它们其实并不相容。

标准模型显然还没有完善，物理学家们还有很多事情要做。但是现在，我们似乎已经获得了足够多的信息来揭开问题最终的答案。下一期咱们就来聊聊一个终极的问题，那就是物质到底是什么？

科学大唠嗑：物质是什么（15）我知道结果，但是不知道为什么

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