“基本粒子”研究的发展

“基本粒子”研究的进展

的发现，使“基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了”，“分割”与“组合”等词已失去了意义。“物质无限可分”的思想在这里必然要遭到恶性循环，而物质存在基本最小单位的假说，也有难以逾越的障碍……

──海森堡如是说

一、基本粒子究竟是什么？

人们常爱思索的一个问题是：世界的本原是什么？古代许多著名的哲学家曾用主观的臆想和直觉给出了形形色色的回答。比如古希腊哲学家泰勒斯的“万物由水构成”；毕达哥拉斯的“万物皆数”；赫拉克利特的“火是万物的本质，万物都在永恒的变化着”；巴门尼德的“事物的永恒不变性”，恩培多克勒的“四元素说”，以及德漠克利特的原子论。中国古代也有“元气说”和“阴阳五行说”等。这些说法中并不乏真知灼见。1．人们一度认为：电子、中子、质子是物质的基本粒子

近代，首先是道尔顿复活了原子论，并且比较令人信服地把原子论置于坚实的科学基础之上。19世纪末，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙（1856～1940年）发现了电子，使人们不再认为原子是不可分割的。随着人类生产力的发展和实验技术的进步，科学家又相继发现，组成原子的原子核也是由质子和中子构成的。与此同时，人类的科学抽象思维和认知能力也获得了长足的进步。到1926年，量子力学的建立奠定了现代理论物理的基础。当时，物理学家眼中的世界还是比较简单的，他们认为世界是电子、中子、质子三种粒子构成的，而光子是辐射场量子，因此，构成物质世界的基本单元只有电子、中子和质子三类基本粒子。但擅长于哲学思考的理论物理学家已提出了某些重要的看法。海森堡在思考了云室中电子的径迹后就问，这径迹真的是电子的轨迹吗？实验中观测到的只不过是一些电离化了的气体离子所凝聚的微小液滴。从这一思考中，他得出了著名的“不确定原理”。并进而考虑到电子究竟是什么？难道它不是人们为概括某些现象所作的假设吗？可惜这些想法并没有为潮流所重视。

2. 后来竟然发现了几百种粒子

在随后的年代中，新的粒子不断被发现。自狄拉克1928年从理论上预言了反粒子的存在并很快被实验物理学家观测证实以后，物理学掀起了一次搜寻基本粒子的浪潮。到今天，人们己发现了几百种形形色色的粒子，但它们大多数都是非常短命的，它们之间的相互转化是极为普遍的。因此，物理学家又提出了许多模型和理论，如夸克模型、大统一理论等。这些理论又预言了更深层次的基本粒子，层次越深所受的束缚就更大，于是，粒子物理学家们花费了昂贵的代价，建造起能量越来越高的加速器，希望不断重温狄拉克时代的美梦——理论上预言的粒子被观测实证。当然，他们也有许多收获，如丁肇中发现J/ (pusai) 粒子等。此时，物理学家们陶醉在他们的收获之中，对于海森堡的一些相反观点似乎不大愿意接受。

3. 海森堡认为：宇宙的本质是能量和对称性

海森堡1975年在德意志物理学年会上作了题为《基本粒子是什么》的报告。在这个报告中，他强调了在基本粒子层次，“分割”与“组合”等词已失去了意义。“基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了”，因为，相对论早就表明，质量和能量是一回事，早已在原子弹的爆炸声中为世人所体验。在微观世界中，所谓粒子只不过是能量在某种对称性原则限制下的表现形式。两个高能粒子的碰撞会产生出众多的粒子，并不能由此断定两个粒子是由这众多的粒子构成。因此，经典意义下的分割和组合已失去了意义。

拿夸克模型来说，夸克的质量要比由几个夸克构成的“基本粒子”的质量大，这种情形显然与常识不相容，其原因是什么？原来夸克处于一种极强的束缚之中，“束缚能”就体现为夸克的质量，由此产生了所谓的“夸克禁闭”。要打破这种禁闭，需要极高的能量，这样高的能量非现代技术不行，所以现在的科学家就不断提高加速器的能量。可是，即使将来某一天发现了自由夸克，人们还是要问，夸克是由什么构成的问题，人们也可以提出某种模型，设想夸克是由更深一层次的某种粒子构成，而这种粒子的质量比夸克还大，因其所受的束缚比夸克更强，要观测到它需要的能量也更强……这样的推断能无限地进行下去吗？古典的“物质无限可分”的思想在这里遭到了恶性循环，物质存在最小基本单元的假说，也有难以逾越的障碍。这种无限小的两难推论，从古希腊一直到近代，哲学家们一直

试图解决它而难以如愿以偿。然而，现代物理学的发现已使人们可以重新审查这一两难推论。只要把前述问题换个提法，那么就不是夸克构成粒子，而是两个粒子在某个极限能量以上相碰撞，可以产生夸克了。能量越大，可以产生的粒子的质量越大，这种大质量粒子在平常是观测不到的。可见，宇宙的本质就是能量和对称性：对称性构成了一些基本规则，确立了一些限制；只要有足够的能量，在这些限制下又可以形成形形色色的众多粒子。

4. 海森堡寻找“粒子的动力学方程”

海森堡把粒子与原子、分子的定态相类比，原子和分子的定态可以由动力学方程即薛定愕方程加上边界条件来确定，而基本粒子的动力学方程还没有找到，一旦找到它再加上边界条件，就可以从理论上预言所有的粒子，包括夸克及比夸克质量更大的粒子，直至无穷。就象解薛定愕方程得出的能级可以直趋无穷大一样，这种基本粒子的动力学方程，在某些边界条件下，可能也会有无穷大的能级。海森堡晚年致力于寻找这一方程，不但精神可贵，而且思想也有过人之处，但由于“偏离”现代物理学的主流而未引起人们足够的重视。究竟海森堡是对还是错的，相信未来会作出判决。因此，基本粒子是什么仍说不清。

随着理论研究的深入和实验技术的提高，“基本粒子”大家庭的成员已发展到目前的700百多种。新成员的大量发现，使人们认识到以前所说的“基本粒子”并不都是基本的，所以现在往往统称它们为“粒子”，而不再称作“基本粒子”。

二、“基本粒子”到底有多少种

基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着，人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。

1. “基本粒子”的“祖孙”三代

从汤姆孙发现电子到1932年发现中子，人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。当时一度认为一切都已搞清楚：质子和中子构成一切原子核；原子核和电子则构造了自然界的一切原子和分子，而光子仅仅是构成光与电磁波的最小单元。然而好景不长，对物质结构的这样一种“圆满”的解释并没能持续多久，人们很快发觉当时所发现的基本粒子不能圆满地解释核力。

第一代：

1935年著名的日本物理学家汤川秀树（1907～1981年）大胆假设，很可能还有未曾发现的新粒子。汤川秀树认为，就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样，核力是通过核子间交换一种介子而实现的。他还估算出了这种粒子的质量大约是电子质量的200倍。两年之后，美国物理学家卡尔·戴维·安德孙（1905～年）在宇宙射线中发现了一种带电粒子，它的质量是电子的200倍左右，被命名为“μ（缪）介子”。理论预言的成功使人们倍感欣慰，但进一步的考察却令人十分扫兴。因为这种μ介子根本不与核子相互作用，很明显，它不可能是汤川秀树所预言的粒子。

1947年，巴西物理学家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子——π介子。π介子的性质完全符合汤川秀树的预言，能够解释核力。实际上，“μ介子”不是介子而是一种轻子，所以现在将μ介子称为“μ子”。到1947年，人们认识的粒子已达14种之多。其中包括当时已发现的光子（γ），正负电子（e±),正负μ子（μ±)，三种π介子（π±, π0），质子（p）和中子（n）10种；另外4种就是1956年在实验室中被发现的正反电子中微子（）、反质子（）和反中子（）。这14种粒子各有用武之地，其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者，π介子传递核力，中微子在β衰变中扮演不可缺少的角色（β衰变是原子核自发地放射出电子或正电子，或者俘获原子内电子轨道上的一个电子，而发生的转变）；而μ子则在宇宙射线中出现。以上这些就构成了第一代粒子。

第二代：

稳定的秩序似乎并没有维持多久，“完满”的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破。在发现π介子的1947年，人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片，衰变产物是π±介子和质子（p）。这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释，于是人们很自然的想到，这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里，人们拍摄了十多万张宇宙射线照片，终于发现了这两种不带电的新粒子。其中一个质量为电子质量的1000倍，现在被叫做“k0介子”；另一个约为电子质量的2200倍，现在称为λ粒子（读“兰布塔”）。我们称它们为第二代粒子，这是因为它们有两个明显的特点：(1) 产生快，衰变慢；(2) 成对（协同）产生，单个衰变。这些特点用过去的理论是无法解释的，所以又称它们为“奇异粒子”。

为了对这些奇异粒子进行定量研究，光靠宇宙射线是不够的。50 年代初，一些大型加速器陆续建成，使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核，以研究奇异粒子。

到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子，使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为“第二代粒子”。

第三代：

如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类，那么其中有的粒子是稳定的，例如质子、电子等；有的粒子却要自发地衰变成其它粒子，例如μ±、π±、π0、k0、λ0……等。它们衰变的时间一般在10-20～10-16秒或大于10-10秒，分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展，在实验上也发现了衰变时间在10-24～10-23秒范围的快衰变粒子，其衰变属强作用衰变。这些粒子被称为“共振态粒子”，也称“第三代粒子”。由于它们的出现，使粒子种类猛增到上百种。

2. 新粒子仍在不断被发现

第三代粒子的骤增已使人们感到惊奇，然而随着时间的推移，新粒子还在不断被发现着。

1974年，著名的美籍华人物理学家丁肇中（1936～年）领导的实验组，利用质子——质子碰撞，发现了一种新粒子，命名为“J粒子”。同年利希特小组在正负电子对撞机上，发现了ψ粒子（读“普西”），其性质与J粒子完全一样。因此人们将它称为“J/ψ粒子”，并测出它的质量为3.1吉电子伏，约为质子的3倍，而寿命却为～10-20秒，比按前三代粒子规律推出的结果长了3～4个数量级。这些性质是原来所掌握的三代粒子规律所不能解释的。

1977年，实验上又发现了一个更大质量的I（9466）粒子，比J/ψ粒子还重两倍多，也属于新粒子。

在西欧联合核子中心相继发现了传递弱相互作用的粒子W±和Z0。

前不久，美国和西欧联合核子中心相继宣布有三种中微子，就是电子中微子（νe）、μ子中微子（）和τ子中微子（）。这一结果在粒子物理界引起了轰动，以至于有人认为这有可能获得诺贝尔奖金！这一切使粒子家族的谱系似乎变得明朗起来。

新粒子的陆续发现不断冲击着旧的理论，迫使人们努力提出新的说法，新理论的预言又要求实验去验证，这就是当前粒子物理学发展的特点之一。

半个世纪以来、陆陆续续发现的几百种粒子已形成了一个庞大的粒子家族，依照它们参与相互作用的类型的不同，可以把它们分成三类：强子、轻子和媒介子。

强子是参与强相互作用粒子的总称，其中包括重子和介子；例如质子、中子、超子、π介子、J/ψ粒子等都属于这一类，此类粒子数最多，占了粒子总数的绝大部分。它们有内部结构，都是由夸克（层子）和反夸克（反层子）组成的。目前实验上已发现并已确认的强子有363种，已发现但未确认的还有409种。

轻子仅参与弱相互作用和电磁相互作用，而不参与强相互作用。现在已经发现的轻子有6种，就是e-（电子）、νe（电子中微子）、μ-（负缪子）、（缪子中微子）、τ-（负陶子）、（陶子中微子），加上它们的反粒子共12种。

媒介子又称“规范粒子”，它们是专门传递相互作用的粒子。其中光子传递电磁相互作用；和Z0粒子传递弱相互作用；胶子传递强相互作用；引力子则传递引力相互作用（胶子和引力子目前尚未直接发现）。

现在已发现有788种粒子。这么庞大的粒子家族，难道都是基本的吗？

3. 微观世界的“最小组分”

目前已认为强子有结构、是由夸克和反夸克组成的。把正反粒子合计，夸克有10种，轻子有12种，媒介子有12种，都还没有实验证明它们有内部结构。它们是迄今为止所观察到的构成宇宙物质的最小单元。夸克按照味道分，有上夸克 、下夸克d、奇夸克S、桀夸克c、底夸克b五种。加上它们的反粒子，共有10种。如果再考虑每味夸克有三种色，那么夸克就有30种。

理论上还认为有另一味夸克——顶夸克（t），1984年西欧中心已发现了顶夸克的迹象。正反顶夸克各有3色。因此，可以认为夸克有36种。

实验和理论还表明，这些基本成分有某种对称性。如果我们把轻子按照质量大小及其性质分类，加上它们对应的中微子，那就可以分为下列三代，即

而且夸克相应的也可分为三代，与轻子三代对应，即

于是，我们可以说，这三代轻子和三代夸克（如果考虑色，那么每代还应当有3组），加上12种媒介子就是目前已发现的微观世界的最小组分。轻子和夸克都是所谓“费米子”，而媒介子是所谓“玻色子”。费米子是组成宇宙物质的基元，玻色子是传递相互作用的。这样一来，使我们对宇宙万物的了解，有豁然开朗之感，而且“三代的划分”在形式上似乎与化学元素的周期表颇有几分相似。

4. 并非最终结论

到目前为止，粒子物理所取得的成就，应该看成是物理学发展过程中的里程碑。它显然不是终点，而是一个新的起点。

70年代未到80年代初，已经有许多粒子物理学家在探索夸克和轻子的内部结构问题，提出了许多可能的“亚夸克”模型，并引起许多学者对这类模型的广泛讨论。这是一个诱人的方向，但是，朝这个方向、究竟能有多大的突破?这种“无限分割下去”的思路是否对头？还是应该换各思路：

“粒子只不过是能量在某种对称性限制下的表现形式……”看来，粒子物理学一定还会有更大的进展。