宇宙中的基本粒子

一、什么是基本粒子

基本粒子是目前已知的组成物质的最小单位，但是科学家们已经意识到，基本粒子也可能并不是单一的粒子，结构也很复杂。和组成物质的原子与分子相比，基本粒子的尺寸要小得多，以至于即便使用放大倍数最高的电子显微镜也无法观察到。其中质子和中子只有原子体积的十万分之一，轻子和夸克则更小，只有质子的万分之一。按照作用力的不同，可以将这些粒子分为三类，分别是强子、轻子和传播子。

所谓强子，就是对参与强力作用的所有粒子的统称。强子是由夸克组成的。2007年，科学家们在美国的费米实验室发现了预言中的顶夸克。目前发现的所有基本粒子中，绝大多数都是强子。还有一些反物质基本粒子如反夸克已经被发现了，目前还在研究如何对它们加以利用。

轻子，顾名思义，只能参与弱相互作用、电磁力和引力作用。轻子可以被分为六大类，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。其中，电子、μ子和τ子带有电荷，而全部中微子都不带电荷。1975年，科学家们发现了无法参与强相互作用的τ子。这种粒子虽然属于轻子，但是具有很大的质量，它比电子重3600倍，比质子重1.8倍，所以又被称为重轻子。

基本粒子中还有一种是传播子。其中，传递强作用的被称作胶子。胶子是于1979年在三喷注现象中间接被发现的。因为它们能够形成一个胶子球，在色禁闭现象中不能被直接观测到。传递弱作用的传播子是重矢量的玻色子，其中包括W+, W-和Z0。它们的质量很大，为质子的80～90倍。

这些粒子的另一种重要的量是它们的质量。粒子物理的规范理论认为，规范粒子的质量应该为零。但是在某种条件下，规范被破坏了，这就让轻子、夸克和玻色子等粒子具有了质量。目前我们发现的基本粒子质量范围分布很广。其中，光子和胶子的质量为零，电子的质量很小，π介子的质量是电子的280倍。质子和中子的质量更大，相当于电子的2000倍。科学家们已经找到了六种夸克，根据质量的不同分为下夸克至顶夸克，其中顶夸克是人类目前发现的质量最大的粒子。与之相对的，中微子具有很小的质量，只有电子质量的七万分之一，十分接近于零。

粒子第三个重要的特征量是它们的寿命。所有粒子中，因为电子、质子和中微子十分稳定，所以被称为长寿粒子。但是绝大部分粒子并不稳定，会产生衰变。中子在衰变时会转变为一个质子、一个电子和一个中微子。π介子在衰变中会生成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命被称为半衰期，指的是强度达到最初的一半的时间。目前已知最为稳定的粒子是质子，它的半衰期长达1033年。

粒子的另一个特性是对称性。如果存在一种粒子，就必定存在它的反粒子。科学家们于1932年发现了正电子，这种粒子与电子的质量和性质完全相同，但是带正电。接下来，科学家们又发现了反质子，它的质量与质子完全相同，但是带有负电荷。之后相继发现了反夸克和反轻子等反物质粒子。一种粒子和它的反粒子相遇时会发生湮灭，变为光子并且释放出能量。反过来，当两个高能粒子发生碰撞时，会生成一对粒子与反粒子，这时能量转化为质量。

粒子还具有自旋的属性。如果粒子的自旋是一个整数，它就是玻色子；如果是半整数，则被称为费米子。同时根据波粒二象性理论，粒子也同时具有粒子性与波动性。

描述基本粒子的结构和相互作用以及运动规律的理论就是量子场论。在量子场论中，每种基本粒子都有一种相应的量子场。这些量子场之间的耦合作用就是粒子相互作用的体现，这些相互作用直接的传递是通过规范场量子进行的。

从20世纪30年代至今，通过大量的实验，基本粒子理论得到了长足的发展。科学家们对粒子结构的研究已经到达了一个很深的层次，并且认为强子由层子与反层子组成。同时还深入认识了真空环境，尤其是真空的自发破缺。粒子的相互作用研究发展成了能够描述电磁相互作用的量子电动力学，出现了弱电统一理论，用来解释粒子之间的弱相互作用和电磁作用。还有量子色动力学，能够用来解释粒子间的强相互作用。这些理论都属于量子规范场理论，而且大部分都被实验结果证实了，所以能够让人们更好地了解粒子间相互作用的规律。

对基本粒子的研究理论目前仍然处于发展中，在很多方面还没有取得令人满意的结果。在这一理论中，还有两个哲学问题需要人们解决。一个是层次结构问题，另一个是相互作用的统一问题。物质的结构为原子层次时，能够把原子分为原子核和电子。原子的结构为原子核层次时，能够再把原子核分为质子和中子。但是到了基本粒子的层次，这种情况发生了改变。因为对于强子来说，它虽然由层子和反层子组成，但是却无法将层子和反层子从强子内部分离出来。因为层子是带色的，所以这种情况被称为色禁闭。所以在基本粒子这个层次上，物质可分不再是原来的概念，可分不代表能够将各个组成部分单独分割开来。层子和反层子虽然是强子的组成部分，但是却无法从强子中被分割出来。人们直到现在还没有搞清楚出现色禁闭现象的真正原因。到20世纪80年代，科学家们已经发现了36种层子和反层子，以及12种轻子和反轻子。同时还发现了很多在粒子间相互传导的规范场粒子和Higgs粒子。科学家们开始试图研究这些粒子的基本结构，并且提出了很多理论模型。但是到目前为止，虽然存在很多相差甚远的模型，但是尚未通过实验来证实究竟哪个模型才是正确的。

当人们统一了弱电理论之后，又继续寻求在强作用、弱作用和电磁作用之间实现统一，并且建立很多统一的模型理论。在这些理论中，科学家们认为质子虽然极其稳定，但是最终也会衰变，但是这一点目前还未通过实验得到证实。如果我们探索力的统一理论，一个最无法忽视的力就是引力。但是引力与强弱作用力和电磁作用力之间存在很大的区别，因为引力和时间、空间有直接的联系，引力之间的传递通过引力子进行，引力子与其他作用力的传递粒子的自旋不同，具有一个有量纲的耦合常数，因此会无穷散发，而无法重整化。同时，因为爱因斯坦提出的引力方程具有非线性性质，这就使得引力理论的量子化和重整化充满困难。因此现在只能初步认为，引力场是一种规范场，也就是说，引力与强作用力、弱作用力和电磁作用力理论上是能够统一的。但是因为这个问题仍然十分复杂，因此人们还没有掌握影响大统一理论的关键因素。

二、最微小的基本粒子

在自然界中到底有没有一种最基本的粒子，是组成其他粒子的最小单位呢？对电子来说，它有两种电荷和自旋状态，可能的存在状态有22种。如果想知道一个电子是哪种电子，要使用2个二进制数，所以每个单独的电子含有2bit信息。对光子来说，它的自旋有两个方向，一个是平行于物质的运动方向的，一个是反平行于物质运动方向的，因此具有21个可能存在的态，每个单独的光子包含1bit的信息。如果一个孤立系统完全由光子组成，并且内部的左旋光子和右旋光子数量相等且混合均匀，那么这个系统含有0bit信息。在基本粒子中，一个粒子包含的最少信息应为1bit，因为不确定性原理的制约，所以在基本粒子中具有最小信息量的粒子是光子。

在一个孤立的不可逆体系中，分为无限多个和外界无作用的平衡系统。因为熵和质量的增加，我们能够推测出，这个孤立的不可逆体系在经过足够长的时间之后，系统内的熵将会达到最大值，此时系统的信息达到最小值。根据不确定性原理，我们能够在系统的最深层次找到具有最小信息容量的微观信息。在这个处于最深层的结构中，系统的信息为0时，这个系统的单子粒子必将存在一个含有最小信息的基本粒子。

在物理学发展到18世纪时，在很多理论中光都被解释成由无数粒子组成的一种物质。因为这种理论无法解释光的折射和衍射等实验现象，包括笛卡尔、胡克和惠更斯等科学家都提出了光具有波动性的观点。但是在当时，牛顿的思想仍然具有绝对的统治力，因此关于光的主要理论仍然认为光是一种微粒。到了19世纪初期，托马斯·杨和菲涅尔通过实验清楚地表明光的衍射特性，因此到1850年前后，物理学家已经接受了光的波动理论。1865年，麦克斯韦提出一种预言，认为光是某种形式的电磁波，并且于1888年完成了证明电磁波存在的实验。这时，光的粒子说看起来被彻底否定了。

但是，麦克斯韦提出的光是一种电磁波的理论也无法解释光具有的一切性质。比如，在电磁理论中，光波具有的能量与频率无关，只和波场的光强度有关。但是后来进行的很多实验，包括光电效应实验都表明，光的能量与强度无关，而是和频率密切相关。还有一些光化学实验证明，只有在光的频率超过某个值时才会发生光化学反应，但是在这个阈值之下，单纯提高光照强度毫无作用。

同时，因为普朗克提出的量子理论的假说，使得之前的物理学家们在长达40年的时间里进行黑体辐射方面的研究无疾而终。普朗克认为，在所有的系统中，如果发射或吸收的电磁波的频率为v，那么电磁波具有的能量都是E=hv（能量=普朗克常数×频率）的整数倍。根据这一理论，爱因斯坦提出了光量子假说。爱因斯坦于1905年到1917年之间提出了光子的概念。在那个时期的经典电磁理论中，光被认为是一种电磁波，但是这个理论无法解释实验中出现的光电效应现象。当时提出了其他一切理论，根据麦克斯韦方程将物质吸收和放射光的能量量子化了。爱因斯坦提出了另外一种理论，那就是光本身为量子化，组成光的量子就是光子。

麦克斯韦提出的经典电磁理论认为，电磁场具有连续能量，而且能量的值为任意大小，但是由于物质在发射或吸收电磁波时，为量子化能量，所以很多科学家都在试图找到物质中存在的某种约束，这种约束使得电磁波的能量只能是量子化的。但是爱因斯坦的光量子理论的先进之处在于，他认为电磁场中的能量本身就是量子化的。爱因斯坦没有否定麦克斯韦提出的理论，但是他认为，如果能够把麦克斯韦的经典电磁场中的能量分配到彼此独立的光量子上，那么就能很好地解释光电效应实验的现象。

1905年，在普朗克的量子理论基础上，爱因斯坦进一步提出，电磁辐射的本质就是不连续的，不管是在能量的发射和接收时，还是在传播过程中都是如此。这种一份一份的辐射被爱因斯坦称为光量子，这就是光子。光子理论能够解释光电效应，爱因斯坦因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。在1909年和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有p=h/λ（动量=普朗克常数/波长）的动量，这使得光子具有了完美的粒子性。到了1926年，康普顿在实验中测得了光子的动量，并因此获得1927年的诺贝尔物理学奖。光子不但在能量的发射和吸收时具有粒子性，在发生弹性碰撞时也是如此，因此光子既有能量又有动量。这样一来，光同时具有粒子性和波动性，也就是具有波粒二象性。之后，德布罗意又深入发展了这种理论，认为所有微观粒子都具有波粒二象性。

这个理论的出现使理论物理学获得了长足的发展，也为实验带来了有益的启发。在该理论的指导下，科学家们发现了激光、玻色-爱因斯坦凝聚和量子场论，发展了量子光学和量子计算。按照粒子物理的理论模型，电场和磁场都是因为光子的作用而产生的。物理学定律具有一种对称性，这种对称性在时空中的任意点上成立，而光子满足这种特性。同时，根据规范场理论，能够得出光子的质量和自旋。

光子既是电磁场中的量子，能够在电磁作用的传播中作为媒介。当原子内部的电子进行能级跃迁时，如果向上跃迁，将会吸收与能级差相等的光子，反之将释放等量的光子。一个粒子与它的反粒子碰撞时将发生湮灭，产生几个光子。光子本身不具有电荷，因此它的反粒子也是它本身。光子的静止质量为0，运动速度为光速，并且不以观察者的运动状态为转移。光子保持光速不变的特性，成了狭义相对论理论的一个基本原理。

因为光子和其他基本粒子一样，具有波粒二象性，因此能够表现出波的性质，如干涉现象和衍射现象等。光具有的粒子性属性能够具体表现为：在与物质发生相互作用时，无法传递任意值的能量，只能进行量子化的能量传递。对我们日常所见的可见光来说，每个光子具有的能量约为4×10-19焦耳。这个能量虽然十分微小，但是已经能够刺激人眼中的感光细胞，并且引发视觉。除了具有能量，光子还有动量。不过因为受到量子力学定律的限制，我们无法计算光子的确定动量，我们只能在测算光子的位置或者动量时，得到它的对应本征值的概率。

即便当今最为先进的科学仪器和巨大的望远镜，想要发现光子，仍然是一件十分不容易的事。除了物理学领域，光子理论还在其他领域发挥着重要的作用，比如光化学和双光子激发显微技术。光子理论还有助于对分子的间距进行测量。在现代实验研究中，光子作为量子计算机的基本元素，在光通信领域和量子密码理论中为科学家们提供了巨大的研究价值。