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第13章 粒子物理的创立（第1页）

第13章　粒子物理的创立

派对上的不速之客

1936年，科学家已经解决了原子的结构问题，量子论也对其做出了精确的预测。上一次人们这样信心满满还是在马克斯·普朗克的灯泡实验之前，我们相信这种事情不会再发生了。怎么可能还需要别的东西呢？

好吧，正如我们经常引用的罗比·伯恩斯的诗句所说：“哪怕是老鼠和人类最周密的计划，也没有考虑到μ子场的存在。”

卡尔·安德森通过云室中的正电子轨迹发现了反物质。这真是太棒了，但它并没有令任何人感到震惊，因为反物质在QED的预料之中。1936年让所有人震惊的是他在云室里发现的另一条轨迹，其行为几乎与电子完全相同……除了重量是电子的200倍。

这种叫作“μ子”（渺子）的粒子性质与电子相同，能与光子场耦合，并遵循费曼图的规则。它只是“胖”一些，而且就我们所知，它对我们的理论来说完全是画蛇添足。

原子中不包含μ子，因为它寿命较短，持续时间约为0。000002秒，它出现在宇宙中，但完全没有明显的价值。μ子场是未曾有人预测也无人寻求的新场，当诺贝尔奖得主伊西多·拉比被告知存在这样一个场时，他非常惊愕，愤怒地大声说：“这是谁规定的？”[1]

μ子非常重，因此具有很高的能量，就像一根蓄力的吉他弦抑制了温和的振动，μ子场的波动可迅速将能量转移到电子场，使重粒子衰变成轻粒子（即μ子变成电子）。

1974年，同样的事情又发生了。马丁·佩尔发现了一个更重的电子，τ子（也叫“陶子”），质量是电子的3，500倍，寿命甚至更短。[2]

结果表明，电子和正电子并不是独一无二的。在这个由电子、μ子、τ子及其反物质孪生兄弟组成的粒子家族中，电子和正电子是最轻的。人们把这6种粒子统称为“轻子”。这个词源自希腊语中的“leptos”，意思是小。它们的存在让人有些不安。

曾经，我们以为所有的物理定律都在某种程度上有益于生命。μ子和τ子的发现挑战了这一观点，因为似乎大自然有时会做一些与我们无关的事情。没有μ子和τ子，我们也会活得很好。无论它们存在的理由是什么，显然我们不需要它们。

μ子和τ子有一些更多样的用途，比如探测金字塔的内部（它们比电子更重，穿透更深）。但除此之外，大自然似乎毫无缘由地把电子分成了三份，而且不只是轻子有这种分裂。

粒子动物园

我们很难探测到宇宙射线粒子，因为它们大多与地球大气层相互作用，永远不会到达地表。为了看得更清楚，塞西尔·鲍威尔决定在安第斯山脉的山顶安装一组粒子探测器，看看会发现什么。1947年，在如此高的地方，鲍威尔发现了一种他称之为“π介子”的粒子。π介子的电荷与中子相同，但质量更轻。

几个月后，克里福德·巴特勒以同样的方式发现了K介子。然后在1950年，科学家发现了λ粒子，它就像一个很重的质子。接下来我们发现了Ξ粒子、eta粒子和ω粒子，到20世纪70年代初，我们已经有400多种新粒子需要追踪。[3]

我们原本简洁的收藏品现在看起来更像是一场乱糟糟的聚会，每五分钟就有一个新的不速之客到来。罗伯特·奥本海默说，我们应该把诺贝尔奖颁给没有发现新粒子的物理学家[4]。恩里科·费米则十分沮丧，他说：“如果我能记得这么多粒子的名字，那我就可以做一个植物学家了！”[5]

尽管在数学上很复杂，但量子场论被认为是对物理学基本定律的一种优雅的描述。丑陋的粒子药水画不出这样一幅图画。

这让人想起一个世纪前化学领域发生的事情。人们不断发现着具有各种性质的新化学元素，等人们意识到原子是由更小的物质—今天我们所熟知的质子、中子和电子—构成时，各种困惑才得以解开。物理学家希望同样的事情也会发生在粒子身上。

有400个物种的动物园看起来太乱了。有的人不得不在混乱中寻找规律，就像费曼使我们对电子和光子的理解变得有条理一样。或许具有讽刺意味的是，完成这项艰难任务的正是费曼的对手：默里·盖尔曼。

盖尔曼与费曼的办公室隔着一道走廊，两人的关系经常剑拔弩张的。当他们都获得诺贝尔奖之后，关系变得更糟。

费曼喜欢参加聚会，流连在女人之间（他结过三次婚），在读书上没花太多心思。盖尔曼是一位杰出的学者，15岁入学耶鲁，能讲多种语言，把很多时间花在阅读语言学和考古学的论文上。盖尔曼生活恬淡，费曼喜欢酒吧和俱乐部（不过值得注意的是，费曼从不喝酒，他鼓励人保持清醒）。

尽管两人有分歧，生活方式也迥异，但他们都认为质子和中子不是基本粒子。人们已经知道了几十种更轻的粒子，这意味着存在更小的亚结构，人们正在竞相提出一种新的量子场论来描述它们。

费曼把这些假设的亚质子／亚中子称为“部分子”，就如何观察它们做了大量的研究。然而，详细描述它们的理论是由盖尔曼提出的，盖尔曼还给它们取名为夸克（kwork），仅仅因为他喜欢这个词的发音（如果你以前读过这个话题，对“kwork”这个拼写有所怀疑，请稍候）。

通过分析已发现的大量粒子的质量、电荷、自旋和寿命，盖尔曼说所有粒子都可以理解成夸克的组合。有两种夸克，分别叫“上夸克”和“下夸克”。

上夸克带+23电荷，下夸克带-13电荷。两个上夸克加一个下夸克，即+23+23-13得到+1，也就是一个质子。两个下夸克加一个上夸克，即-13-13+23得到0，也就是一个中子。

三个上夸克得到Δ粒子，一个上夸克和一个反下夸克得到π介子……诸如此类。粒子动物园是一种错觉，质子和中子都是复合粒子，而不是基本粒子。夸克才是重要的，因为夸克组成了物质。

哦，顺便说一句，这就是反中子的由来。普通中子不带电，这是因为组成它的夸克总电荷为0。你可以用两个反下夸克加一个反上夸克的组合，总电荷也是0。但反物质0不等于物质0。生活是不是挺丰富多彩的？

海鸥的鸣叫

一天晚上，在读爱尔兰现代主义小说家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》（FinnegansWake）时，盖尔曼读到了一首诗，开头是这样写的：“向麦克老人三呼夸克（quark）。”

盖尔曼立即被这个毫无意义的“夸克”吸引住了，因为它描述的正是一组三个物体发生的事情，就像他提出的粒子一样。这个词的拼写稍稍往他听过的声音靠拢，他就接受了这个发音。乔伊斯可能想用“quark”与“Mark”押韵，但盖尔曼决定用“kwork”与“quartz”押韵。[6]

在诗中，“quark”一词代表海鸥的鸣叫。也许在盖尔曼居住的加利福尼亚州，海鸥发出的声音是“kwork”，而不是“k>

英国人经常把这个词读成“kwark”，但这不是盖尔曼的本意。你一定要读成“kwork”，否则就得面对加州海鸥的怒火。

另外，用鸟鸣声给粒子取名并不是最奇怪的事情。物理学家阿兰·古斯给一种假象的粒子取名为“暴胀子”，因为它让宇宙加速膨胀。弗兰克·维尔切克给一种粒子取名为“axion”，这是一种洗涤剂的品牌。[7]

色彩丰富的语言

盖尔曼提出了夸克的存在，几年后，人们通过实验发现了夸克。在实验中，科学家向中子发射轻子（电子、μ子和τ子），并观察它们的路径。如果中子是“中子场”中不可再分的物质，轻子就会呈锐角反弹回来。但如果像盖尔曼预测的那样，中子由夸克亚结构组成，轻子就只会偏转，被夸克粒子的电荷吸引而偏离航线。[8]

实验结果符合盖尔曼的预测，为我们提供了一种新型粒子，也为正在研究的原子核提供了一种量子场论。

质子和中子各由三个夸克组成，考虑到海森堡不确定性原理，这些夸克周围有数千个虚夸克。维持稳定的三个夸克叫作“价夸克”，它们决定了整体的同一性。

由于夸克带电，我们知道夸克会与光子场相互作用。但存在一个明显的问题：为什么带正电的两个上夸克不会相互排斥？带相同电荷的两个粒子不可能相安无事，因此需要有人来解释，为什么原子核在形成的瞬间不会爆炸成碎片？

日本物理学家汤川秀树提出有一种比电磁力强得多的力，是它使质子形成一个整体，也是它让质子和中子保持稳定。这种力可以压倒电荷的排斥，原因是它非常强，所以汤川秀树给它取名为“强核力”。