笔下文学

夸克的领域（第2页）

盖尔曼认为，奇异粒子的奇异性和多重性有一定联系。奇怪的K介子不像三个一组的丌介子，它们似乎是形成了两对。他肯定这里还有某种没有发现的更深层次的对称性在起作用，并不只是偶然相关。

20世纪60年代末，数学家不久前刚刚重新发现了挪威数学家李（MariusSophusLie，1842—1899）的工作，李曾经提出过一种抽象的表示方法，叫做“群论”。盖尔曼认识到有一种李群——SU（3），或者3维特殊幺正群——似乎适用于介子和重子。［伦敦帝国学院的尼曼（YuvalNe’eman，1925—2006）也提出过同样的想法。］盖尔曼用群作为模子，把介子和重子按它们的电荷与奇异性排列在一起。重子共有八个，正好填满了图像，可是介子只有七个。

因此基于应该有第八个介子才能填满这一图像这一特点，盖尔曼预言它的存在，这类似于门捷列夫1869年提出元素周期表时，曾预言过几种还没有被发现的元素的存在。特别是，盖尔曼预言了一种他所谓的“Ω-”粒子，事实证明他是正确的。1964年果然发现了这样的粒子，并且后来无数次地观察到它。它的反粒子——反Ω-（或者Ω+）也在1971年被发现。

于是“八重法”诞生了，粒子的丛林得到了整治，至少比以前有序得多。

但是盖尔曼还有更多的打算。即使有了“八重法”这一新秩序，他认为必定还有某种更深刻和更简单的秩序，一定还有某种粒子比以前人们设想的更为基本。盖尔曼意识到，物理学家正在做的事情，就像是正在关注物质中的分子，并且试图理解其复杂性，却没有意识到它们是由原子组成这一事实（这正像道尔顿之前的化学家）。重子（中子和质子）应该是由某种更小的东西组成——但那是些什么东西呢?

1963年3月25日星期一，在纽约市哥伦比亚大学的教工俱乐部里，午饭过后开始出现了答案。（看来物理学家在吃饭时往往可以思考出许多东西!）盖尔曼正在哥伦比亚访问，他做了一系列关于“八重法”及其他问题的演讲，受到热烈欢迎。主邀大学的一些理论家，其中包括塞尔伯（RobertSerber，1909—1997），邀请他吃饭。塞尔伯举止安详，曾经在伯克利与奥本海默一起合作过，后来又在洛斯阿拉莫斯和盖尔曼一起工作过。一般来说，他宁愿在后台工作，但是这一天他有一个问题：“粒子三个一组是怎么回事，是三重态吗?”

盖尔曼立即回答：“那不过是可笑的托词!”李政道也在场，补充道：“一个可怕的思想。”于是，盖尔曼开始在餐巾纸上乱涂：要使三重态有效，粒子必须要有分数电荷，这一现象在自然界中从未观察到过，实际上是不可想象的。粒子必须是＋2／3，－1／3，－1／3。

但是后来他开始更多地思考这个问题。只要一个粒子在自然界不以分数电荷出现，这个想法也许就不那么古怪了。如果真正基本的核粒子，基本强子，都是不可观测的，不能从重子和介子里跑出来，那么就无法个别观察；如果它永远被禁锢在自然的质子、中子、兀介子等物理学家在自然界发现的各种粒子里面，那么它也许就是可能的。盖尔曼在下一次的演讲中讲了这一思想。回到加州理工学院，他进一步对此进行加工，并且在和他以前的论文指导老师外斯柯夫（VictorWeisskopf，1908—2002）通电话时提到了这件事。外斯柯夫正在瑞士日内瓦担任主任。盖尔曼对他说，也许重子和介子都是由带分数电荷的粒子组成的。外斯柯夫没当一回事，他立即提醒：“请严肃点，这是国际长途。”

然而盖尔曼是严肃的。1964年他提出，存在携带分数电荷的一组古怪粒子。他又一次采用了怪诞的命名方法，称之为夸克，这是引自乔伊斯（JamesJoyce，1882—1941）怪诞的诗集《芬尼根彻夜祭》（FinnegansWake）中的一句成语：“三声夸克，鼓励马克!”携带2／3正电荷的粒子，他称为上夸克，另外两个他分别给予下夸克和奇异夸克的称呼。质子是由两个上夸克和一个下夸克组成，总电荷为＋1。中子是由两个下夸克和一个上夸克组成，结果是不带电。在他介绍这一思想的两页论文中，最后一句话是感谢塞尔伯启发了这些思想。

与盖尔曼想到夸克的同时，另一位年轻的物理学家也沿着同样的思路在做这件事情，他的名字叫兹韦格（Ge，1937—）。兹韦格是一位实验物理学家，当时正在工作，他把这些粒子看成是真实具体的粒子，而不是像盖尔曼所认为的只是抽象结构，他称之为王牌（aces）。由于兹韦格比较年轻，不大知名，他未能成功发表他的革命性思想（甚至盖尔曼也是选择向一份很少有人知道的杂志投稿，以免退回）。但是，当盖尔曼得知兹韦格曾经就这一课题在写过一篇内部文章后，他总是肯定兹韦格的功绩，尽管他对兹韦格的“混凝土块模型”持嘲笑态度。

物理学家终于得到了这样的结论：如果真有盖尔曼提出的奇异夸克，它一定是成对的。于是，他们开始寻找所谓的“粲夸克”，粲夸克是奇异夸克的伴侣。令人惊奇的是，产生这一想法的不止一个人，又是两个不同研究单位的研究者：布鲁克海文国家实验室的丁肇中（SamuelgTing，1936—）和SLAC的里克特（BurtonRichter，1931—）。考虑到这样的事实：粒子实验往往需要数月、有时数年的计划，并且需要大量科学家的投入才能进行，而这两个单位做同样课题的人互相并不了解，这种可能性是极其罕见的。然而，就在1974年11月丁肇中出现在SLAC准备宣布J粒子诞生的那一天，里克特也宣布他和他的小组发现了他所谓的ψ介子。丁肇中惊呆了。经过交流，他们发现两个小组完全独立地发现了同一个粒子，最后取名为J／ψ介子。随后不久，研究者们认识到，由于J／ψ介子所具有的特性，如果粲夸克不存在，它也不会存在。于是丁肇中和里克特不仅独立地发现了一种新粒子，而且为粲夸克的存在找到了证据。他们两人由于这些发现分享了1976年诺贝尔物理学奖。

味和色

正当盖尔曼企图使亚原子粒子混杂的大家族变得有序时，新粒子的数目还在持续增加。不过，这些新粒子也仍然适合他已经勾画的基本结构。

一种真正基本、无结构和不可分的新粒子观出现了：这些粒子分成基本的两种：夸克和轻子。然而，每种有三个类型（叫做味）。（味这个名称又一次显示物理学家的幽默感，实际上与味道毫不相干。）

轻子的三味是电子（科学家早就知道它了）、μ子（或μ介子）和τ子（或r介子）。轻子的每一味有四个成员，例如：电子、中微子、反电子和反中微子。

夸克稍微有些复杂，夸克的配对也可想成是不同的“味”——这个概念与轻子的味相似。于是，夸克的每个味也都有四个成员。例如，上／下味包括上夸克、下夸克、反上夸克和反下夸克。如果你想到夸克的配对与轻子三味的每一对类似，则夸克的三味是上／下夸克、奇异／粲夸克，还要有一对新的夸克才能填满这个表，它们是顶／底夸克。

轻子与夸克之间的一个关键性差异在于，夸克受到的是强力，而轻子不是。再有，轻子具有整数电荷或者不带电荷，不能合并。夸克则具有分数电荷，显然只能以复合的方式存在。

20世纪70年代关于夸克仍然有一个大问题——如果永远不能把夸克从紧密结合的状态中分离出来，那么是什么力量把它们束缚得如此之紧呢?

所有物理学家最后都同意这样一个有力的思想，那就是：夸克的每一个不同的味来自轻子不具有的三种不同属性。这类属性盏尔曼称之为“色”，三种不同的色分别为红、蓝和绿。这些名字只不过是一些比喻；据我们所知，夸克并不真的具有颜色。

但是，当夸克三个三个分成组时，它们就结合在一起了。红、蓝和绿互相抵消，变成无色（就像色盘旋转时，上面的三原色合成为白色一样）。

当然，夸克也会结合成对形成介子，例如，红色夸克和反红色夸克结合，红色与反红色互相抵消，得到的结果是无色。

就这样，色成功地解释了夸克是怎样两两结合形成介子的，又是如何三三结合形成重子的。研究这个过程——不同颜色的夸克结合产生无色——就叫做量子色动力学（QCD）。量子色动力学证明，夸克和反夸克的不同组合可以获得色中性。

但是颜色怎样才能转移呢?是什么信使粒子像光子作用于电磁力那样传递色力呢?物理学家把这样的粒子称为胶子，它携带两种类型的颜色：颜色（红、绿或蓝）及其反颜色。当这些胶子被夸克发射或者吸收时，它们改变夸克的颜色。这些胶子不停地在夸克之间来回移动就提供了强大的力量把夸克粘在一起，当两个夸克互相移开时，这个力加大，互相靠近时，力减小（这一特性正好和电磁力相反）。你试试把手指放在橡筋圈里，张开手指，手指间的力增加。色力的线就像橡筋圈里橡皮的筋条，收拢手指，张力减小。这和胶子携带的强核力非常相似。

这幅复杂的原子模型——这两章非常简短地描述了它的许多部分以及它们怎样紧密结合——已经被物理学家广泛接受。在各个粒子——强子和轻子以及它们的下属——之外，还有四种力在原子里起作用：强力（把核绑在一起）、弱力（放射性背后的力）、电磁力（管辖电荷）以及引力（只在长距离起作用，在原子内部可以忽略不计）。

在原子内部，信使粒子起的作用是传送强力、弱力和电磁力。后来，物理学家把这些信使称为“基本玻色子”：其中有负责电磁力的光子，负责弱力的W＋，w－和Z0和负责强力的八个胶子。这些基本玻色子都是基本粒子——也就是说，它们不能衰变成更小的粒子。

现在我们有了这些夸克，那种认为质子和中子是被π介子绑在一起的旧思想看来是不完全正确的。正如我们已经看到的，质子和中子是由夸克组成的，这些夸克之间的信使叫做胶子——是一种玻色子，它的运作处于比20世纪早些时候认识到的更为基本的层次上。

整个图像——包括所有六种类型的夸克、六种类型的轻子（电子、μ子、τ子、电子中微子、μ子中微子和τ子中微子）和四个玻色子（力的载荷者）——组成了所谓的标准模型。然而，直到1995年，有一个重要的粒子还没有找到：顶夸克。在长达20年的实验中，芝加哥附近的费米实验室有500多人一直在寻找这一失踪的粒子。最后他们成功了，这一点确信无疑，因为两个实验设计成果互相补充和互相验证。

标准模型中的基本粒子

这一工程是今天解决大型科学问题需要庞大合作和复杂设备的一个优秀案例，相比过去，那时只看到个别科学家在单枪匹马地工作。这正是过去一百年来“从事科学工作”的巨大变化之一。个人贡献仍然非常重要，但是在某些学科中——特别是粒子物理学——团队合作起到了关键性的作用。

作为团队合作的结果，标准模型十年前就存在的一个最有威胁性的问题——失踪的顶夸克和有关中微子的问题——现在都解决了。你可能看到，标准模型仍然非常复杂——往往被看成是科学模型中的一个败笔。物理学家倾向于认为，自然界的规则是简单而不是复杂的，并且无论在何处，当他们全面探讨这一思想时，大自然都证明，它宁可选择简单性。但在万物的核心深处，为什么事情会变得如此复杂?有些物理学家认为，这正是因为我们还没有达到真正统一和更简单的宇宙观。

宏伟的统一

然而，还是有人尝试对这一世界建立更简单的看法。爱因斯坦把他的晚年花在尝试建立大统一场论（GUT），把自然界各种力联合在一起，但是他没有成功。

20世纪60年代，温伯格（StevenWeinberg，1933—）和萨拉姆（AbdusSalam，1926—1996）独立发展了电弱相互作用理论，把电磁相互作用理论与弱相互作用理论结合在一起；而格拉肖（SheldonGlashow，1932—）在1968年对这一理论作了改进。格拉肖曾经和温伯格一起在布朗克理科中学上学。

他们的理论为这两种相互作用搭起了数学支架，人们为之欢呼，把它看成是通向爱因斯坦曾经寻找的大统一理论成功的第一步。尽管这一理论还没有完全被证明是正确的，但已经有足够的实验支持，使他们三个人获得了1979年诺贝尔物理学奖。后来在1983年，鲁比亚和范德米尔（Simo，1925—）成功地发现了电弱理论所预言的－和Z0），这正是电弱理论需要的最后验证。

从那时起，针对达到所有四种力的统一理论的各种尝试加速进行，而大统一理论的探讨打开了探索宇宙起源过程的许多道路。宇宙起源过程指的是宇宙存在的最初几秒，以及随之发生的事情。最近50年来，粒子物理学的突破在物理学家和宇宙学家之间产生了极其丰富的交叉成果，我们将会在下一章看到，每一方都在对方的领域里激发出前沿理论和实验，并且对其作出了贡献。不过还是让我们先来介绍20世纪下半叶和21世纪初，天文学家和宇宙学家对宇宙及各种天体作出新发现的一些途径。