第11章 基本粒子和自然的力(1)

存在有几种分歧范例的夸克――有六种“味”，这些味我们别离称之为上、下、奇、粲、底和顶。20世纪60年代起人们就晓得前三种夸克，1974年才发明粲夸克，1977年和1995年别离发明底和顶夸克。每种味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须夸大，这些术语仅仅是标签：夸克比可见光的波长小很多，以是在凡是意义下没有任何色彩。这只不过是当代物理学家仿佛更富有想像力地定名新粒子和新征象的体例罢了――他们不再让本身受限定于希腊文！）一个质子或中子由三个夸克构成，每个夸克各有一种色彩。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克；一其中子包含两个下夸克和一个上夸克。我们能够创生由其他种类的夸克（奇、粲、底和顶）构成的粒子，但统统这些都具有大很多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。

第一种力是引力，这类力是万有的，也就是说，每一个粒子都因它的质量或能量而感遭到引力。引力比其他三种力都弱很多。它是如此之弱，它若不具有两个特别的性子，我们底子就不成能重视到：它能感化到大间隔去，以及它老是吸引的。这意味着，在像地球和太阳如许两个庞大的物体中，伶仃粒子之间的非常弱的引力能都叠加起来而产生相称大的力量。其他三种力要么是短程的，要么时而吸引时而架空，以是它们偏向于相互抵消。以量子力学的体例来对待引力场，人们把两个物质粒子之间的力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子照顾的。它本身没有质量，以是照顾的力是长程的。太阳和地球之间的引力能够归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子互换。固然所互换的粒子是虚的，它们确切产生了可测量的效应――它们使地球环绕着太阳公转！实引力子构成了典范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，乃至于还向来未被观察到过。

一个大的物体，比方地球或太阳，包含了几近等量的正电荷和负电荷。如许，因为伶仃粒子之间的吸引力和架空力几近全被抵消了，是以两个物体之间净的电磁力非常小。

另一种力是电磁力。它感化于带电荷的粒子（比方电子和夸克）之间，但反面不带电荷的粒子（比方引力子）相互感化。它比引力强很多：两个电子之间的电磁力比引力约莫大100亿亿亿亿亿（在1前面有42个O）倍。但是，存在两种电荷――正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是相互架空的，而异种电荷之间的力则是相互吸引的。

在量子力学中，统统物质粒子之间的力或相互感化都以为是由自旋为整数0、1或2的粒子照顾。所产生的是，物质粒子――比方电子或夸克――收回照顾力的粒子。这个发射引发的反弹，窜改了物质粒子的速率。照顾力的粒子然后和另一个物质粒子碰撞并且被接收。这碰撞窜改了第二个粒子的速率，正如同这两个物质粒子之间存在过一个力。照顾力的粒子不从命泡利不相容道理，这是它们的一个首要的性子。这表白它们能被互换的数量不受限定，如许它们便能够引发很强的力。但是，如果照顾力的粒子具有很大的质量，则在大间隔上产生和互换它们就会很困难。如许，它们所照顾的力只能是短程的。另一方面，如果照顾力的粒子本身质量为零，力就是长程的了。因为在物质粒子之间互换的照顾力的粒子，不像“实”粒子那样能够用粒子探测器检测到，以是称为虚粒子。但是，因为它们具有可测量的效应，即它们引发了物质粒子之间的力，以是我们晓得它们存在。自旋为0、1或2的粒子在某些环境下也作为实粒子存在，这时它们能够被直接探测到。对我们而言，现在它们就闪现出典范物理学家称为颠簸情势，比方光波和引力波的东西。当物质粒子以互换照顾力的虚粒子的情势而相互感化时，它们偶然便能够被发射出来。（比方，两个电子之间的电架空力是因为互换虚光子而至，这些虚光子永久不成能被检测出来；但是如果一个电子从另一个电子边穿过，则能够放出实光子，它作为光波而被我们探测到。）照顾力的粒子遵循其强度以及与其相互感化的粒子能够分红四个种类。必须夸大指出，这类将力分别红四种是报酬的；它仅仅是为了便于建立部分实际，而并不别具深意。大部分物理学家但愿终究找到一个同一实际，该实际将四种力解释为一个伶仃的力的分歧方面。确切，很多人以为这是当代物理学的首要目标。比来，将四种力中的三种同一起来已经有了胜利的端倪――我将在这一章描述这些内容。而关于同一余下的另一种力即引力的题目将留到今后。

直到约莫30年之前，人们还觉得质子和中子是“根基”粒子。但是，质子和别的的质子或电子高速碰撞的尝试表白，它们究竟上是由更小的粒子构成的。加州理工学院的牟雷・盖尔曼将这些粒子定名为夸克。因为对夸克的研讨，他获得1969年的诺贝尔奖。此名字发源于詹姆斯・乔伊斯奥秘的引语：“Three quarks for Muster Mark！”

现在我们晓得，任何粒子都有会和它相泯没的反粒子。

的词演变而来的，因为质子被以为是构成物质的根基单位。但是，1932年卢瑟福在剑桥的一名同事詹姆斯・查德威克发明，原子核还包含别的称为中子的粒子，中子几近具有和质子一样大的质量但不带电荷。查德威克因这个发明获得诺贝尔奖，并被选为剑桥龚维尔和基斯学院（我即为该学院的研讨员）院长。厥后，他因为和其别人反面而辞去院长的职务。一群战后返来的年青的研讨员将很多已占有位置多年的老研讨员选掉后，曾有过一场狠恶的辩论。这是在我去之前产生的；我在这场争辩序幕的1965年才插手该学院，当时另一名获诺贝尔奖的院长奈维尔・莫特爵士也因近似的争辩而辞职。

最后，人们以为原子核是由电子和分歧数量的带正电的叫做质子的粒子构成。质子是由希腊文中表达“第一”

（在汤姆孙的电子尝试中，我们看到他用一个电场去加快电子，一个电子从一个伏特的电场合获得的能量便是一个电子伏特。）19世纪，当人们晓得如何去利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，大师觉得原子便是最小的单位。在卢瑟福的尝试中，α粒子具有几百万电子伏特的能量。更晚的期间，我们得悉如何利用电磁场给粒子供应起首是几百万，然后是几十亿电子伏特的能量。如许我们晓得，30年之前觉得是“根基”的粒子，究竟上是由更小的粒子构成。如果我们操纵更高的能量时，是否会发明这些粒子是由更小的粒子构成的呢？这必然是能够的。但我们确切有一些实际上的启事，信赖我们已经具有，或者说靠近具有天然的终究构件的知识。

当时就有人思疑，这些原子毕竟不是不成豆割的。几年前，一名剑桥大学三一学院的研讨员汤姆孙演示了一种称为电子的物质粒子存在的证据。电子具有的质量比最轻原子的一千分之一还小。他利用了一种和当代电视显像管相称近似的装配：由一根红热的金属细丝发射出电子，因为它们带负电荷，可用电场将其朝一个涂磷光物质的屏幕加快。电子一打到屏幕上就会产生一束束的闪光。人们很快即认识到，这些电子必然是从原子本身里出来的。新西兰物理学家恩斯特・卢瑟福在1911年最后证了然物质的原子确切具有内部布局：它们是由一个极其藐小的带正电荷的核以及环绕着它公转的一些电子构成。他阐发从放射性原子开释出的带正电荷的α粒子和原子碰撞会引发偏转的体例，从而推出这一结论。

亚里士多德信赖物质是持续的，也就是说，人们能够将物质无穷制地豆割成越来越小的小块。即人们永久不成能获得一个不成再豆割下去的最小颗粒。但是几个希腊人，比方德谟克里特，则对峙物质具有固有的颗粒性，并且以为每一件东西都是由大量的各种分歧范例的原子构成（原子在希腊文中的意义是“不成分的”）。争辩一向持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。但是1803年英国的化学家兼物理学家约翰・道尔顿指出，化合物老是以必然的比例连络而成的，这一究竟能够用由原子聚合一起构成称作分子的个别来解释。但是，直到本世纪初这两种学派的争辩才以原子论者的胜利而告终。爱因斯坦供应了此中一个首要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的闻名论文颁发前的几周，他在颁发的另一篇文章里指出，所谓的布朗活动――浮在液体中灰尘小颗粒的没法则随机活动――能够解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。

宇宙间统统已知的粒子能够分红两组：自旋为1/2的粒子，它们构成宇宙中的物质；自旋为0、1和2的粒子，正如我们将要看到的，它们在物质粒子之间产生力。物质粒子从命所谓的泡利不相容道理。这是奥天时物理学家沃尔夫冈・泡利在1925年发明的，他是以而获得1945年的诺贝尔奖。他是个原型的实际物理学家，有人如许说，他的存在乃至会使同一都会里的尝试出弊端！泡利不相容道理是说，两个近似的粒子不能存在于不异的态中，也就是说，在不肯定性道理给出的限定下，它们不能同时具有不异的位置和速率。不相容道理是非常关头的，因为它解释了为何物质粒子，在自旋为O、1和2的粒子产生的力的影响下，不会坍缩成密度非常高的状况的启事：如果物质粒子几近处在不异的位置，则它们必须有分歧的速率，这意味着它们不会长时候存在于不异的位置。如果天下在没有不相容道理的景象下创生，夸克将不会构成分离的表面清楚的质子和中子，进而这些也不成能和电子构成分离的表面清楚的原子。它们全数都会坍缩构成大抵均匀的稠密的“汤”。

现在我们晓得，不管是原子还是此中的质子和中子都不是不成分的。题目在于甚么是真正的根基粒子――构成天下万物的最根基的构件？因为光波波长比原子的标准大很多，我们不能希冀以凡是的体例去“看”一个原子的部分。我们必须用某些波是非很多的东西。正如我们在上一章所看到的，量子力学奉告我们，实际上统统粒子都是波，粒子的能量越高，则其对应的波的波长越短。以是，我们能对这个题目给出的最好的答复，取决于我们装配中的粒子能量有多高，因为这决定了我们能看到的标准有多小。这些粒子的能量凡是用叫做电子伏特的单位来测量。

亚里士多德信赖宇宙中的统统物质由四种根基元素即土、气、火和水构成。有两种力感化在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指气和火往上升的偏向。将宇宙的内容豆割成物质和力的这类做法一向因循至今。

（对于照顾力的粒子，反粒子即为其本身）。也能够存在由反粒子构成的全部反天下和反人。但是，如果你碰到了反本身，重视不要握手！不然，你们两人都会在一个庞大的闪光中消逝殆尽。为何我们四周的粒子比反粒子多很多是一个极度首要的题目，我将会在本章的后部分回到这题目上来。

夸克这个字应发夸脱的音，但是最后的字母是k而不是t，凡是和拉克（云雀）相压韵。

用上一章会商的波粒二象性，包含光和引力的宇宙中的统统都能以粒子来描述。这些粒子有一种称为自旋的性子。考虑自旋的一个别例是将粒子设想成环绕着一个轴自转的小陀螺。但是，这能够会引发曲解，因为量子力学奉告我们，粒子并没有任何表面清楚的轴。粒子的自旋真正奉告我们的是，从分歧的方向看粒子是甚么模样的。一个自旋为0的粒子像一个点：从任何方向看都一样 。另一方面，自旋为1的粒子像一个箭头：从分歧方向看是分歧的 。只要把它转过一整圈 时，这粒子才显得一样。自旋为2的粒子像个双头的箭头 ：只要把它转过半圈 ，它看起来便一样。近似地，把更高自旋的粒子转了整圈的更小的部分后，它看起来便一样。统统这统统都是如许的直截了当，但惊人的究竟是，把有些粒子转过一圈后，它仍然显得分歧：你必须使其转两整圈！如许的粒子就说具有1/2的自旋。

直到保罗・狄拉克在1928年提出一个实际，人们才对电子和其他自旋1/2的粒子有了精确的了解。狄拉克厥后被选为剑桥的卢卡斯数学传授（牛顿曾经担负这一教席，目前我担负这一职务）。狄拉克实际是第一种既和量子力学又和狭义相对论相分歧的实际。它在数学上解释了为何电子具有1/2的自旋，也即为甚么将其转一整圈不能、而转两整圈才气使它显得一样。它还预言了电子必须有它的妃耦――反电子或正电子。1932年正电子的发明证明了狄拉克的实际，他是以获得了1933年的诺贝尔奖。