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隨著π介子的發現,基於宇宙射線的粒子探測技術越來越成熟,壹批新粒子蜂擁而出。不久之後,人們發現了正負K介子和中性λ粒子。

加速器也有好消息。1949年發現了中性π介子,後來又發現了正負和中性σ粒子、負和中性ξ粒子、中微子、反質子和反中子。

以前找不到新粒子的時候,我就想盡辦法找,現在擔心這麽大壹堆。人們不禁感嘆門捷列夫的偉大。偉大的門捷列夫把所有的元素都放在壹個表格裏,不僅看起來井然有序,而且指出了元素之間的規律。這麽多粒子也能做到嗎?

壹位年輕的物理學家向費米提出了這個問題。費米嘆了口氣,“年輕人,如果我記得那麽多名字,我早就成為植物學家了。”

費米的嘆息道出了當時的困境。雖然植物學的分類遠不如元素周期表漂亮,但當時的微觀粒子分類甚至不能像植物學那樣粗糙。人們只是不情願地將這些粒子分為費米子和玻色子。

費米子是構成物質的粒子,包括輕子和重子。輕子是輕型粒子,包括電子μ子、中微子及其反粒子。重子包括我們常見的質子中子、λ粒子、σ粒子、ξ粒子及其反粒子。玻色子是傳遞力的粒子,包括光子和所有介子。介子和重子組成強子。天啊,太亂了。有點像植物學的分類。看起來有點規律。

縱觀科學史,物理學家不喜歡這種植物學分類,他們更喜歡尋找世界的起源。強子結構的第壹個模型費米和楊振寧認為π介子由質子或中子及其反粒子組成。他們提出這個說法的時候,反物質粒子還沒有被發現,這確實需要相當的勇氣和魄力。

日本物理學家阪田昌壹從馬克思主義辯證唯物主義出發,認為質子中子和λ粒子是物質的最基本粒子,並試圖用它們來構造其他粒子。

東方物理學家受西方哲學影響,那麽西方物理學家呢?自然,他們應該受到東方哲學的啟發。格爾曼覺得佛陀提到的“八箴言”很有意思,提出了“八態”,基本上就是這堆粒子的元素周期表。

蓋爾曼的八重奏真的很美。它不僅對粒子進行分類,還像元素周期表壹樣預測新的粒子。ω粒子是預測出來的,但是光有周期表是沒用的。門捷列夫不明白元素周期表為什麽要這樣排列。直到人們了解了原子核的結構,才意識到它是按照原子核外質子和電子的數量排列的。蓋爾曼這次沒等別人解釋八隅體,就自己解釋了粒子的起源。

蓋爾曼提出了誇克的新觀點。他說,誇克分為三種,質子和中子是由三種誇克組成的。然而,這導致了壹個問題。質子的電荷數是1,三個誇克構成壹個質子,會有1/3的電荷。這是真的。蓋爾曼把誇克分為上誇克、下誇克和奇誇克,上誇克有壹個帶。

這聽起來有點奇怪。事實上,蓋爾曼自己也不確定。他不認為真的有這樣的粒子。男性

稱之為“數學的產物”。提出者自己也沒想法,更別說指望別人承認了,所以很長壹段時間裏,人們都以為是廢話。

如果理論上說不清楚,還是看實驗吧。當年的祖師爺盧瑟福就是靠α粒子散射實驗封神的,這個實驗也揭示了原子的秘密。現在實驗要砸質子,看能不能砸破。但是盧瑟福的實驗有來自大自然的α粒子的禮物,但是現在沒有了。既然大自然給不了,那就自己做吧。這是加速器,用高能電子直接與質子碰撞。

這次碰撞有三個結果。壹種是乒乓球碰到鉛球,直接飛起來。第二個結果是電子激發了質子,電子和質子都還完好無損,就是質子的能量發生了變化,順便產生了少數新的粒子。這就好比乒乓球打在鉛球上,壹點灰塵飛起來。如果電子能量足夠,也不是不可能。還有壹個。

然而,最不可能的結果還是出現了。實驗結果表明,質子確實有內部結構,也就是說質子是可以細分的,但是是否被劃分為誇克呢?沒有人真正了解這壹點,因為實驗的發起者Bjorcken的數學描述過於復雜,這對物理學家來說是壹個障礙。物理學家向來不擅長數學,海森堡也認同這壹點。

看來我們還是得請求外援了。外援就是頑童費曼。費曼此時正在享受諾貝爾獎帶來的興奮,但他很快意識到,榮譽只能代表過去,還是應該做出更多的貢獻。

費曼提出了強子由許多部分組成的部分猜想。這只是他的壹個天才想法,沒有實驗依據。然而,實驗結果找上門來了。看到實驗結果後,他大喊:“我這輩子都在找這樣的實驗。”經過壹夜的思考,費曼用簡潔明了的語言解釋了實驗結果,人們恍然大悟。

至於有些質子是不是誇克?費曼根本不在乎。天才不會在意這些小事,這點和泡利挺像的。

後來的實驗證明質子中確實存在誇克,但問題更大。既然質子和中子中都有誇克,為什麽從來沒見過自由誇克?這只是其中的壹個問題,還有另外兩個當時初生的誇克理論無法解決的問題。

擋在誇克理論面前的第壹座大山是泡利,他以泡利不相容原理而聞名,這不是他唯壹的成就,卻是他最重要的成就。對於微觀粒子,泡利就像壹個國王,任何粒子都必須遵守他的聖旨,這就是泡利不相容原理。

根據誇克理論,誇克應該是自旋為1/2的費米子,強子包括兩個或兩個以上量子態相同的誇克。比如質子由兩個上誇克和壹個下誇克組成,而這兩個上誇克是量子態相同的微觀粒子,這就違反了泡利不相容原理。

實驗表明,質子和中子中的誇克像獨立粒子壹樣隨意遊走,但誇克被強大的核力束縛在壹起。他們怎麽能互相擁抱又四處遊蕩呢?這是第二誇克理論很難解釋的問題。

這三個問題成為了誇克理論上的三座大山。飯要壹口壹口吃,山要壹座壹座翻。當然,保利是第壹座被翻過的山。誰告訴他不要被激怒?

爬保利山有三條路。壹是證明泡利不相容原理是錯誤的。大家都沒這麽幹過。愛因斯坦通過論證以太不存在推翻了牛頓爵士,成就了壹代霸主。第二種方法是修改他自己的理論。有先例。壹開始玻爾認為能量守恒定律有問題,泡利覺得沒問題。他直接提出了中微子的想法。這個我們之前說過,還有壹種招數。誇克的電荷自旋都是壹樣的,所以再加壹個自由度。那不是既滿足了泡利不相容原理,又不破壞我們自己的理論嗎?這是壹件幸福的事。

當然,蓋爾曼會做得最好,但蓋爾曼有點粗心,因為他剛剛獲得諾貝爾獎,他不確定是否有誇克這種東西。然而,有些人很擔心。這個焦慮的人就是費裏奇,他也是壹個奇怪的人。他來自民主德國。當時兩德還沒有統壹,柏林有很長的墻。為了追求知識,他偷偷跑到聯邦德國,開始在慕尼黑的普朗克物理研究所學習理論物理。

費裏奇來自社會主義國家,深受馬克思主義教育。他堅信誇克壹定存在,他不理解蓋爾曼漫不經心的態度。在1970遇到蓋爾曼的時候,他強烈表達了自己的信心。人們冒著生命危險追求真相,所以他關心這些是不合適的。於是,蓋爾曼開始和費裏奇壹起琢磨新的模式。

他們意識到他們可以通過增加壹個量子數來解決這個問題。他們應該用什麽?開始用了Up和down,這次不能用left和right。況且左右上下都是方位詞,完全看不出新意。費爾蒙從法國國旗中獲得靈感,決定用顏色給新量子數命名。其實這並不算什麽新鮮事。費曼已經用顏色來指代不同的中微子。無論多少,新誇克方案中的誇克可能有三種顏色,分別是紅白藍,這是法國國旗的顏色。但是這個顏色的命名有點不科學,後來改成了藍、紅、綠三原色,因為在這種情況下,三個誇克在壹起會變成白色,也就是說量子數為零,所以質子中子沒有這個量子數。但需要註意的是,誇克的“顏色”並不是真的有顏色的誇克,它只是量子自由的代名詞和稱謂。

現在泡利的問題解決了。質子由壹個藍色的上誇克、壹個紅色的上誇克和壹個綠色的下誇克組成。中子由壹個藍色的上誇克、壹個紅色的下誇克和壹個綠色的下誇克組成。沒有量子數完全相同的誇克,誇克的數量增加了兩倍。

現在我們來看下壹個問題,誇克是如何在強子內部自由遊走並把群體維系在壹起的。在我們壹般的印象中,它們距離越近,吸引力越大,電磁力也是如此。如果從這個角度來看,誇克確實不能隨意遊走,只能緊緊抱在壹起,但是誇克不依靠重力和電磁力。他們依賴核力量。經過實驗和分析,發現誇克之間的核力有壹個特殊的性質,即漸近自由。簡單來說,離得越近,核力越小,可以四處遊走,離得越遠,核力越大,看起來就像質子。好了,終於,又壹個問題解決了。

再來看終極問題。這就是誇克禁閉問題。為什麽妳從來沒見過壹個誇克?剛才我講了壹個漸近自由。隨著誇克之間的距離越來越大,核力也越來越大。這能解釋誇克禁閉嗎?就是因為核力越來越大,誇克飛不出去,但是我們可以增加能量,可以超過核力。為什麽我們看不到單個誇克?

這個目前沒有很好的解釋,有猜測是這樣的。隨著能量的不斷增加,就在誇克即將飛出的時候,這個能量大到足以在真空中出現壹對正負誇克。反誇克會立即與飛誇克配對形成介子,另壹個誇克會立即取代強子中原來的誇克。

反正誇克理論已經成立,但還沒結束。是中國人上臺的時候了。