第五章 基本粒子和自然的力
亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成
的。有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是
指空气和火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。
亚里士多德认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越
来越小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而有几
个希腊人，例如德漠克里特，则坚持物质的固有的颗粒性，而且认为每一件东西都
是由不同种类的大量的原子所组成（在希腊文中原子的意义是“不可分的”）。争
论一直持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。直至1803年英国的化学
家兼物理学家约翰·道尔顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的。这一事实
可以用来解释所谓分子的单元是由原子组成的。然而，直到本世纪初这两种学派的
争论才以原子论的胜利而告终。爱因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，
在他关于狭义相对论的著名论文发表前的几周，他在所发表的另一篇文章里指出，
所谓的布朗运动——悬浮在液体中的尘埃小颗粒的无则规的、随机的运动——可以
解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。
当时已经有人怀疑这些原子终究不是不可分割的。几年前，一位剑桥大学三一
学院的研究员汤姆逊演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子所具有的质
量比最轻原子小1千倍。 他使用了一种和现代电视显像管相当类似的装置：由一根
红热的金属细丝发射出电子，由于它们带负电荷，可用一电场去将其加速飞到一个
涂磷光物质的屏幕上。电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。人们很快即意识
到，这些电子必须从原子里出来。英国物理学家恩斯特·卢瑟福在1911年最后证明
了物质的原子确实有内部结构：它们是由一个极其微小的带正电荷的核以及围绕着
它转动的一些电子组成。他是根据从放射性原子释放出的带正电荷的。粒子和原子
碰撞会引起的偏折这一现象，以及分析了此偏折的方式后而推出这一结论的。
最初，人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的叫做质子的粒子所组成。
质子是由希腊文中的“第一”演化而来的，因为质子被认为是组成物质的基本单位。
然而，卢瑟福在剑桥的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年发现，原子核还包含另
外称为中子的粒子，中子几乎具有和质子一样大的质量但没有带电荷；查德威克因
此而获得诺贝尔奖，并选为剑桥龚维尔和凯尔斯学院（我即为该学院的研究员）院
长。后来，他因为和其他人不和而辞去院长的职务。一群战后回来的年轻的研究员
将许多已占据位置多年的老研究员选掉后，曾有过一场激烈的辩论。这是在我去以
前发生的；在这场争论尾声的1965年我才加入该学院，当时另一位获诺贝尔奖的院
长奈维尔·莫特爵士也因类似的争论而辞职。
直到20年以前，人们还总以为质子和中子是“基本”粒子。但是，将质子和另
外的质子或电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成的。
加州理工学院的牟雷·盖尔曼将这些粒子命名为夸克。由于对夸克的研究，他获得
1969年的诺贝尔奖。 此名字起源于詹姆斯·约依斯神秘的引语： “three quarks
for muster mark！ ”夸克这个字应发夸脱的音，但是最后的字母是k而不是t，通
常和拉克（云雀）相押韵。
存在有几种不同类型的夸克——至少有六种以上的“味”，这些味我们分别称
之为上、下、奇、魅、底和顶。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须
强调，这些术语仅仅是记号：夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有
任何颜色。这只不过是现代物理学家更富有想像力地去命名新粒子和新现象而已—
—他们不再将自己限制于只用希腊文！）一个质子或中子是由三个夸克组成，每个
一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克；一个中子包含两个下夸克和一
个上夸克。我们可用其他种类的夸克（奇、魅、底和顶）构成粒子，但所有这些都
具有大得多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。
现在我们知道，不管是原子还是其中的质子和中子都不是不可分的。问题在于
什么是真正的基本粒子——构成世界万物的最基本的构件？由于光波波长比原子的
尺度大得多，我们不能期望以通常的方法去“看”一个原子的部分，而必须用某些
波长短得多的东西。正如我们在上一章所看到的，量子力学告诉我们，实际上所有
粒子都是波动， 粒子的能量越高，j则其对应的波动的波长越短。所以，我们能对
这个问题给出的最好的回答，取决于我们的设想中所能得到多高的粒子能量，因为
这决定了我们所能看到的多小的尺度。这些粒子的能量通常是以称为电子伏特的单
位来测量。（在汤姆逊的电子实验中，我们看到他用一个电场去加速电子，一个电
子从一个伏特的电场所得到的能量即是一个电子伏特。）19世纪，当人们知道如何
去使用的粒子能量只是由化学反应——诸如燃烧——产生的几个电子伏特的低能量
时，大家以为原子即是最小的单位。在卢瑟福的实验中，α粒子具有几百万电子伏
特的能量。更近代，我们知道使用电磁场给粒子提供首先是几百万然后是几十亿电
子伏特的能量。这样我们知道，20年之前以为是“基本”的粒子，原来是由更小的
粒子所组成。如果我们用更高的能量时，是否会发现这些粒子是由更小的粒子所组
成的呢？这一定是可能的。但我们确实有一些理论的根据，相信我们已经拥有或者
说接近拥有自然界的终极构件的知识。
用上一章讨论的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子来描述。
这些粒子有一种称为自旋的性质。自旋可以设想成绕着一个轴自转的小陀螺。但这
可能会引起误会，因为量子力学告诉我们，粒子并没有任何很好定义的轴。粒子的
自旋真正告诉我们的是， 从不同的方向看粒子是什么样子的。一个自旋为0的粒子
像一个圆点： 从任何方向看都一样（图5.1－i）。而自旋为1的粒子像一个箭头：
从不同方向看是不同的（图5.1-ii） 。只有把当它转过完全的一圈（360°）时，
这粒子才显得是一样。 自旋为2的粒子像个双头的箭头（图5.1－iii）：只要转过
半圈（180°） ，看起来便是一样的了。类似地，更高自旋的粒子在旋转了整圈的
更小的部分后，看起来便是一样的。所有这一切都是这样的直截了当，但惊人的事
实是，有些粒子转过一圈后，仍然显得不同，你必须使其转两整圈！这样的粒子具
有1／2的自旋。
图5.1
宇宙间所有已知的粒子可以分成两组：组成宇宙中的物质的自旋为1／2的粒子；
在物质粒子之间引起力的自旋为0、 1和2的粒子。物质粒子服从所谓的泡利不相容
原理。这是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的，他并因此获得1945年
的诺贝尔奖。他是个模范的理论物理学家，有人这样说，他的存在甚至会使同一城
市里的实验出毛病！泡利不相容原理是说，两个类似的粒子不能存在于同一个态中，
即是说，在不确定性原理给出的限制内，它们不能同时具有相同的位置和速度。不
相容原理是非常关键的， 因为它解释了为何物质粒子在自旋为0、1和2的粒子产生
的力的影响下不会坍缩成密度非常之高的状态的原因：如果物质粒子几乎在相同位
置，则它们必须有不同的速度，这意味着它们不会长时间存在于同一处。如果世界
创生时不相容原理不起作用，夸克将不会形成不相连的、很好定义的质子和中子，
进而这些也不可能和电子形成不相连的、很好定义的原子。所有它们都会坍缩形成
大致均匀的稠密的“汤”。
直到保尔·狄拉克在1928年提出一个理论，人们才对电子和其他自旋1／2的粒
子有了相当的理解。狄拉克后来被选为剑桥的卢卡逊数学教授（牛顿曾经担任这一
教授位置，目前我担任此一位置）。狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相
对论相一致的理论。它在数学上解释了为何电子具有1／2的自旋，也即为什么将其
转一整圈不能、而转两整圈才能使它显得和原先一样。它并且预言了电子必须有它
的配偶——反电子或正电子。1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论，他因此获
得了1933年的诺贝尔物理奖。现在我们知道，任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。
（对于携带力的粒子，反粒子即为其自身。）也可能存在由反粒子构成的整个反世
界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否则，你们两人都会在一个
巨大的闪光中消失殆尽。为何我们周围的粒子比反粒子多得多？这是一个极端重要
的问题，我将会在本章的后部分回到这问题上来。
在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1
或2的粒子承担。 物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射
粒子所引起的反弹，改变了物质粒子的速度。携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞
从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一
个力。
携带力的粒子不服从泡利不相容原理，这是它的一个重要的性质。这表明它们
能被交换的数目不受限制，这样就可以产生根强的力。然而，如果携带力的粒子具
有很大的质量，则在大距离上产生和交换它们就会很困难。这样，它们所携带的力
只能是短程的。另一方面，如果携带力的粒子质量为零，力就是长程的了。在物质
粒子之间交换的携带力的粒子称为虚粒子，因为它们不像“实”粒子那样可以用粒
子探测器检测到。但我们知道它们的存在，因为它们具有可测量的效应，即它们引
起了物质粒子之间的力， 并且自旋为0、1或2的粒子在某些情况下作为实粒子而存
在，这时它们可以被直接探测到。对我们而言，此刻它们就呈现出为经典物理学家
所说的波动形式，例如光波和引力波；当物质粒子以交换携带力的虚粒子的形式而
相互作用时，它们有时就可以被发射出来。（例如，两个电子之间的电排斥力是由
于交换虚光子所致，这些虚光子永远不可能被检测出来；但是如果一个电子穿过另
一个电子，则可以放出实光子，它以光波的形式为我们所探测到。）
携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必
须强调指出，将力划分成四种是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，
而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论，该理论将四种力解
释为一个单独的力的不同方面。确实，许多人认为这是当代物理学的首要目标。最
近，将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容。
而关于统一余下的另一种力即引力的问题将留到以后再讨论。
第一种力是引力，这种力是万有的，也就是说，每一粒子都因它的质量或能量
而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有
两个特别的性质，我们根本就不可能注意到它。这就是，它会作用到非常大的距离
去，并且总是吸引的。这表明，在像地球和太阳这样两个巨大的物体中，所有的粒
子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短
程的，或者时而吸引时而排斥，所以它们倾向于互相抵消。以量子力学的方法来研
究引力场， 人们把两个物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子
所携带。它自身没有质量，所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以
归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。虽然所交换的粒子是虚的，它们
确实产生了可测量的效应——它们使地球绕着太阳公转！实引力构成了经典物理学
家称之为引力波的东西，它是如此之弱——并且要探测到它是如此之困难，以致于
还从来未被观测到过。
另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和
不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用。 它比引力强得多：两个电子之间的电
磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿（在1后面有42个0） 倍。然而，共有两种电荷—
—正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的，而异种电荷则互相吸引。一
个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子
之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然
而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中
的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转，正如同引力使得地球绕着太阳
旋转一样。 人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的
交换所引起的。而且，这儿所交换的光子是虚粒子。但是，电子从一个允许轨道改
变到另一个离核更近的允许轨道时，以发射出实光子的形式释放能量——如果其波
长刚好，则为肉眼可以观察到的可见光，或可用诸如照相底版的光子探测器来观察。
同样，如果一个光子和原子相碰撞，可将电子从离核较近的允许轨道移动到较远的
轨道。这样光子的能量被消耗殆尽，也就是被吸收了。
第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1／2的物质粒
子， 而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。直到1967年伦敦帝
国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统
一理论后， 弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动，可与100年前
马克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。温伯格——萨拉姆理论认为，除了光子，还
存在其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子， 它们携带弱力。它们叫w＋
（w正）、w－（w负）和z0（z零），每一个具有大约100吉电子伏的质量（1吉电子
伏为10亿电子伏）。上述理论展现了称作自发对称破缺的性质。它表明在低能量下
一些看起来完全不同的粒子，事实上只是同一类型粒子的不同状态。在高能量下所
有这些粒子都有相似的行为。这个效应和轮赌盘上的轮赌球的行为相类似。在高能
量下（当这轮子转得很快时），这球的行为基本上只有一个方式——即不断地滚动
着；但是当轮子慢下来时，球的能量就减少了，最终球就陷到轮子上的37个槽中的
一个里面去。换言之，在低能下球可以存在于37个不同的状态。如果由于某种原因，
我们只能在低能下观察球，我们就会认为存在37种不同类型的球！
在温伯格——萨拉姆理论中， 当能量远远超过100吉电子伏时，这三种新粒子
和光子的行为方式很相似。但是，大部份正常情况下能量要比这低，粒子之间的对
称就被破坏了。w＋、w－和z0得到了大的质量，使之携带的力变成非常短程。萨拉
姆和温伯格提出此理论时，很少人相信他们，因为还无法将粒子加速到足以达到产
生实的w＋、w－和z0粒子所需的一百吉电子伏的能量。但在此后的十几年里，在低
能量下这个理论的其他预言和实验符合得这样好，以至于他们和也在哈佛的谢尔登
·格拉肖一起被授予1979年的物理诺贝尔奖。格拉肖提出过一个类似的统一电磁和
弱作用的理论。由于1983年在cern（欧洲核子研究中心）发现了具有被正确预言的
质量和其他性质的光子的三个带质量的伴侣，使得诺贝尔委员会避免了犯错误的难
堪。领导几百名物理学家作出此发现的卡拉·鲁比亚和发展了被使用的反物质储藏
系统的cern工程师西蒙·范德·米尔分享了1984年的诺贝尔奖。（除非你已经是巅
峰人物，当今要在实验物理学上留下痕迹极其困难！）
第四种力是强作用力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子中的质
子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。
它只能与自身以及与夸克相互作用。强核力具有一种称为禁闭的古怪性质：它总是
把粒子束缚成不带颜色的结合体。由于夸克有颜色（红、绿或蓝），人们不能得到
单独的夸克。反之，一个红夸克必须用一串胶子和一个绿夸克以及一个蓝夸克联结
在一起（红＋绿＋蓝＝白）。这样的三胞胎构成了质子或中子。其他的可能性是由
一个夸克和一个反夸克组成的对（红＋反红，或绿＋反绿，或蓝＋反蓝＝白）。这
样的结合构成称为介子的粒子。介子是不稳定的，因为夸克和反夸克会互相湮灭而
产生电子和其他粒子。类似地，由于胶子也有颜色，色禁闭使得人们不可能得到单
独的胶子。相反地，人们所能得到的胶子的团，其迭加起来的颜色必须是白的。这
样的团形成了称为胶球的不稳定粒子。
色禁闭使得人们观察不到一个孤立的夸克或胶子，这事实使得将夸克和胶子当
作粒子的整个见解看起来有点玄学的味道。然而，强核力还有一个叫做渐近自由的
性质，它使得夸克和胶子成为定义得很好的概念。在正常能量下，强核力确实很强，
它将夸克很紧地捆在一起。但是，大型粒子加速器的实验指出，在高能下强作用力
变得弱得多， 夸克和胶子的行为就像自由粒子那样。图5.2是张一个高能质子和一
个反质子碰撞的照片。碰撞产生了几个几乎自由的夸克，并引起了在图中可以看到
的“喷射”轨迹。
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