隨著π介子的發(fā)現(xiàn),基于宇宙射線的粒子探測技術也越來越精密,一群新粒子蜂擁而出,不久后,人們又發(fā)現(xiàn)了正負K介子和中性的Λ粒子。
加速器那邊也傳來了好消息,1949年,發(fā)現(xiàn)了中性π介子,后來又發(fā)現(xiàn)了正負和中性Σ粒子,負和中性Ξ粒子還有中微子,反質(zhì)子和反中子我們已經(jīng)說過了。
以前找不到新粒子的時候拼命找,現(xiàn)在忽然冒出來這么一大堆也發(fā)愁,人們不由得開始感嘆門捷列夫的偉大,偉大的門捷列夫把所有的元素納入了一個表中,不但看起來井然有序,而且還指出了元素之間的規(guī)律,那么這么多一位年輕的物理學家?guī)е@個疑問去問費米,費米一聲長嘆:'年輕人,我要是記得這么多名字,我早就成為植物學家了。'
費米的這一聲長嘆道出了當時的困境,雖然植物學的分類遠沒有元素周期表那么漂亮,可是當時對微觀粒子的分類連植物學那么粗疏的分類也做不到,人們只是勉強地把這些粒子分成了費米子和玻色子。
費米子就是構成物質(zhì)的粒子,包括輕子和重子,輕子就是質(zhì)量輕的粒子,包括電子μ子中微子和他們的反粒子,重子包括我們常見的質(zhì)子中子Λ粒子Σ粒子Ξ粒子和它們的反粒子,玻色子就是傳遞力的粒子,包括光子和所有的介子,介子和重子又構成了強子,天啊,這太亂了,確實有點從整個科學史來看,物理學家們并不喜歡這種植物學的分類,他們更喜歡找到世界的本源。費米和楊振寧第一個強子的結構模型,他們覺得π介子是由質(zhì)子或者中子和它們的反粒子組成,他們提出這種說法時反物質(zhì)粒子還沒有發(fā)現(xiàn),這確實需要相當?shù)哪懽R和勇氣。
日本物理學家坂田昌一從馬克思主義辯證唯物主義
東方物理學家受到西方哲學思想的影響,那么西方物理學家呢,他們自然要受到東方哲學的啟發(fā),蓋爾曼就覺得佛祖說的'八
蓋爾曼的八重態(tài)確實漂亮,不但給粒子分了類,而且也和元素周期表一樣可以預言新粒子,Ω粒子就是預測出來的,可是光有元素周期表是沒有用的,門捷列夫也沒有搞懂元素周期表為什么這么排,直到人們了解了原子核的構造之后才知道的這是按照元素的質(zhì)子數(shù)和核外電子數(shù)排列的,蓋爾曼這次沒有等別人來解釋八重態(tài),他自己就解釋了粒子的本源。
蓋爾曼提出了一個新的設想就是夸克,他說夸克分為三種,質(zhì)子和中子就是由三種夸克構成,不過這就引出了一個問題,質(zhì)子的電荷數(shù)才是1,三個夸克構成一個質(zhì)子,這就要有1/3電荷了,這還真是,蓋爾曼把夸克分為上夸克下夸克和奇夸克,上夸克帶﹢2/3電荷,下夸克帶-1/3電荷,奇夸克帶-1/3電荷,重子就由這三種夸克不同組合,介子再算上點反夸克。
稱之為'數(shù)學的產(chǎn)物'。提出者自己都沒譜,這更不能指望別人承認了,所以長期以來,人們都認為這是胡說八道。
理論上說不清楚的事情,還是看實驗吧。當年祖師爺盧瑟福就是靠著α粒子散射實驗一戰(zhàn)封神,也揭開了原子的秘密,現(xiàn)在的實驗就要擊碎質(zhì)子,看看質(zhì)子能不能破碎了,不過當年盧瑟福實驗有α粒子這種大自然的賞賜,現(xiàn)在可沒有了,既然大自然給不了,那就自己造吧,這就是加速器,就是用高能電子直接撞向質(zhì)子。
這撞過去的結果有三個,一個是撞了就撞了,就可是最不可能的結果還是出現(xiàn)了,實驗結果表明質(zhì)子確實存在著內(nèi)部結構,這就是說質(zhì)子還可以再分,可是是不是分成夸克呢?這還真沒有人知道,因為實驗的提出者比約肯的數(shù)學描述太復雜了,這對于物理學家們來說就是一個障礙,物理學家們數(shù)學一向不好,關于這一點,海森堡表示贊同。
看來還是得請外援了,外援就是頑童費曼。這個時候的費曼正在享受諾貝爾獎帶來的興奮中,不過很快費曼就意識到榮譽只能代表過去,還是應該再做點貢獻。
費曼提出了一個部分子的猜想,就是強子有很多部分構成,這只是他的一個天才構想,毫無實驗依據(jù)啊,不過實驗結果就送上門來了,他看到實驗結果后仰天長嘯'我窮盡一生,一直在尋找這樣的實驗呀',經(jīng)過一夜的思考,費曼用簡潔明了的語言解釋了實驗結果,人們才恍然大悟。
至于部分子是不是就是夸克呢?費曼根本就不在乎,天才嘛,是不關心這些小事的,這一點倒是和泡利頗為相似。
后來的實驗證明,質(zhì)子內(nèi)部確實存在著夸克,可是問題更大了,既然質(zhì)子中子內(nèi)部存在著夸克,為什么從來就沒有看到過自由夸克呢?這還只是其中一個問題,還有兩個問題是當時初生的夸克理論解決不了的。
這第一個擋在夸克理論面前的大山就是泡利,泡利以泡利不相容原理聞名,這不是他唯一的成果卻是他最重要的成果,對于微觀粒子來說,泡利就如同君王一般,任何一個粒子都要遵守他的圣旨,這道圣旨就是泡利不相容原理。
按照夸克理論,夸克應該是自旋1/2的費米子,而且強子包括兩個或者兩個以上擁有相同量子態(tài)的夸克,比如質(zhì)子就是有兩個上夸克和一個下夸克構成的,這兩個上夸克就是量子態(tài)相同的微觀粒子,這是違反泡利不相容原理的。
實驗表明質(zhì)子中子內(nèi)部的夸克會這三個問題就成了壓在夸克理論頭上的三座大山,飯得一口一口地吃,山也得一座一座地翻,首先要翻的當然是泡利這一座山,誰叫他不好惹呀。
要想翻越泡利這一座大山有三種方法,一是論證泡利不相容原理是錯的,這事兒大家不是沒干過,愛因斯坦就是通過論證以太不存在推翻了牛頓爵爺,成就了一代霸業(yè)的,第二個方法就是修改自己的理論,這也有先例的,當初玻爾認為能量守恒定律有問題,泡利覺得沒問題,直接提出了中微子的設想,這個咱們在前面說過了已經(jīng),還有一種耍賴的方法就是添一個自由度唄,不是不可能有兩個電荷自旋完全相同的微觀粒子湊成CP嗎?夸克的電荷自旋都一樣了,那就再添一個自由度,那不是就既滿足了泡利不相容原理又不破壞自己的理論,這就是皆大歡喜呀。
這活當然蓋爾曼來做最好,不過蓋爾曼卻有點漫不經(jīng)心,因為他剛獲得了諾貝爾獎,而且他也并不確定真的有夸克這種東西,可是有人著急,這個著急的人就是費里奇,這位也是一位奇人,他來自民主德國,當時兩個德國還沒有統(tǒng)一,柏林還橫亙著一道長墻,為了追求知識他偷偷跑到了聯(lián)邦德國,開始在慕尼黑的普朗克物理研究所攻讀理論物理。
來自社會主義國家的費里奇深受馬克思主義教育,他堅信夸克是一定存在的,對于蓋爾曼漫不經(jīng)心的態(tài)度表示很不理解,在1970年遇到蓋爾曼的時候,他強烈地表示了自己的信心,人家都冒著生命危險來追求真理了,自己不關心一下也不合適,于是蓋爾曼開始和費里奇一起琢磨新的模型。
他們意識到只要再增加一個量子數(shù)就可以解決這個問題,用什么好呢?開始已經(jīng)用了上下,這次總不能用左右吧,再說了左右和上下都是方位詞,根本就看不出新奇之處來,費爾蒙從法國國旗中得到了靈感,決定用顏色來命名新的量子數(shù),其實這也不太新,費曼早就用顏色指代過不同的中微子,不管那么多了,新的夸克方案中夸克可能具有三種顏色,分別是紅白藍,這就是法國國旗的顏色,不過這顏色命名有一點不科學,后來還是改成了三原色藍紅綠,因為這樣的話,三個夸克湊一塊就成了白色,這就是量子數(shù)為零了,所以質(zhì)子中子就沒有這個量子數(shù)了,不過要注意,夸克的'色'并不是真的夸克有顏色,這只是一種代稱,是量子自由度的一個稱號。
現(xiàn)在泡利的問題就解決了,質(zhì)子就由一個藍上夸克一個紅上夸克和一個綠下夸克組成,中子就是一個藍上夸克一個紅下夸克一個綠下夸克構成,再也沒有量子數(shù)完全相同的夸克了,夸克的數(shù)量也擴大了三倍。
現(xiàn)在看下一個問題,夸克如何在強子內(nèi)部又可以自由溜達還可以抱團,在我們一般印象中,都是離的越近吸引力越大,電磁力萬有引力都是如此,要是以這種觀點來看的話,確實夸克不能隨意溜達,只能緊緊地抱在一起,可是夸克不是靠萬有引力和電磁力在一起,它們靠的是核力,經(jīng)過試驗和分析,人們發(fā)現(xiàn)夸克間的核力有一種特殊的性質(zhì),那就是漸近自由,簡單來說,就是離得越近之間的核力越小,小到可以四處溜達,離的越遠之間的核力越大,大到看起來就是一個質(zhì)子,好了,終于又解決了一個問題。
還是來看終極問題吧,這就是夸克禁閉問題,為什么從來沒有見到一個個的單獨夸克呢?剛才說了一個漸進自由,隨著夸克間距離越來越大核力也越來越大,用這個是不是可以解釋夸克禁閉呢?就是因為核力越來越大所以夸克就飛不出來,可是我們可以增加能量呀,把能量增加大可以超過核力,那怎么還是看不到單獨的夸克呢?
關于這一點目前還沒有很好的解釋,有一種猜想是這樣的。隨著能量越來越大,就在夸克要飛出來的時候,這個能量已經(jīng)大到足以在真空中出現(xiàn)一對正反夸克,出現(xiàn)的反夸克會立即和飛出來的夸克配對形成一個介子,另一個夸克會立即取代原來夸克在強子中的位置。
不管怎么說,夸克理論已經(jīng)站住腳了,可是事情還沒有結束,下面該中國人登場了。
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