叫三声夸克
有一种礼品盒,看上去只是一个盒子,看不出里面是空的,还是装了什么东西。打开来看看,里面仍然是一个盒子。好奇心驱使,再打开这个盒子,里面又是一个盒子……总之,盒子里装盒子,不知道盒子里面是什么。
物理学家在研究物质结构的时候,也遇到了一个类似的问题:最里面是什么?
世界上的物质千千万,石头、铁、空气、水……形态不同,性质各异,但有一点是相同的,最小单位都是原子。铁的最小单位是铁原子,氢的最小单位是氢原子;水的最小单位是水分子,不过,水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。
世界上的物质千千万,分到最小的单位,分到原子这一步就算到头了。自古以来都认为原子是不可再分的了。
到了19世纪末,X射线的发现促进人们思考,是不是盒子里还有一个盒子?果然,进入20世纪以后,人们发现原子不是最小单位,在原子的内部,外围是电子,中心是原子核。原子的质量几乎全部集中在原子核。原子核本身却十分微小,大约10万个原子核排成一条直线才相当于一个原子的直径。
好奇心驱使科学家进一步研究原子核的结构,知道了原子核是由质子和中子组成的。人们产生了一个新的看法:原子是由电子、质子和中子等基本粒子构成的。把这些粒子叫作“基本粒子”,好像是在说原子这个盒子里也就是这些东西了。
可是,后来科学家在宇宙线中发现了一些新的粒子,在实验室里,在加速器中发现了更多的粒子,基本粒子的数量猛增到300多种,新报道也有说达到了700多种。
物理学家分别为这些微小的粒子取了名字:光子、介子、中微子以及用字母命名的K介子、什么什么子……还测定了它们的质量是多少,带有什么样的电荷,如何自旋(左旋还是右旋),寿命多长,就像调查户口似的,记入了档案,再加以分析。
经过分析,发现大多数基本粒子是不稳定的,寿命很短,很容易转化为其他基本粒子。这些基本粒子的质量大小差别却很大,于是,可以根据质量的大小分类。这里只简单地介绍另一种分类方法,它把基本粒子分为两类,一类是轻子,另一类是强子。
电子和中微子属于轻子,轻子的数量比较少;绝大多数的基本粒子都属于强子,其中包括质子和中子。面对数量如此之多的强子,科学家们又在思考了:还有比质子和中子更小的结构吗?
这又是一个“盒子里还有盒子吗”这一类的问题,科学家从实验里已经感觉到,强子内部有结构。这好比拿起盒子摇一摇,听到了里头有响动的声音,初步可以判定盒子里有东西。
这时候,科学家也只有发挥想象力了。美国科学家盖耳曼提出了一个“夸克模型”,说是所有的强子都是由三种夸克构成的。
夸克是译音,意思是海鸟的叫声。因为在长诗《芬尼根之觉醒》中有一句话:“向麦克老人三呼夸克。”盖耳曼把夸克借用过来,无非是一语双关,说明每一个强子都有三种夸克。
想象固然浪漫,盖耳曼提出夸克模型却是经过理论分析,而且分析得很有道理。慢慢地盖耳曼的理论被大多数人接受了,这等于承认了盒子里有东西。
知道了有夸克这种物质,那就得把它找出来。要把想象中的夸克变成真实的夸克并不容易,找了20年,也没发现夸克的踪迹。人们有点泄气了。没想到1976年,旅美华裔科学家丁肇中发现了J粒子。J粒子的J与中文的丁字非常相似,这也是给新粒子命名的妙处。新粒子的发现,引起种种猜测,J粒子是不是第四种夸克?这发现,又唤起了科学家寻找夸克的热情。
1976年前后,科学家对夸克又有了新的认识,说夸克不止三种,还有第四、第五、第六种,理论更深入、更复杂。
这时又有了一种说法,为什么夸克不能脱离其他粒子而独立存在呢?这真是怪事,仿佛是士兵犯了错误被关禁闭而失去了自由,难道就没有一个自由夸克吗?
还有人说,物质的最小结构也许就到此为止了。盒子里装盒子,发现的盒子已不少了,按顺序是原子一原子核一强子一夸克。
在研究夸克的时候,发现夸克与“3”这个数字特别有缘,三呼夸克,三种夸克;夸克的种类多了以后,夸克又可以分成三个组,人们把这种组叫作“代”,也就是夸克有三代。
可是,夸克的第三代里还缺一个夸克,它叫顶夸克。1994年4月6日,在费米实验室终于发现了顶夸克的存在。
在费米实验室,有一个加速器,地下的环形隧道长达6.4千米。在长达8年的时间里,先后有900名科学家在这里工作,终于找到了顶夸克。
这一发现,证实了夸克是存在的,证实了顶夸克是第三代。
新的发现,带来了新的希望,也带来了新的问题:为什么只证实了顶夸克的存在?
“3”字有什么意义?
而最基本的问题仍然是:物质的最小结构就是夸克吗?盒子里还有盒子吗?