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第2章 夸克到底是怎么回事

我国古代哲学家庄子说:“一尺之棰,日取其半,万事不竭。”指出了物质的无限可分性。但是,人们对物质的无限可分性是逐步认识到的,夸克模式的提出,就是人的这一认识的深化。

在人们开始认识物质世界的时候,就提出了各种各样的说法。古希腊的一些哲学家认为,世上各种各样的物质,都是由一些永远不变、不可再分的基本单位构成,他们把这种基本单位叫原子。直到16世纪后叶,才由物理学家证实了原子的存在。后来意大利科学家阿伏伽德罗又提出了分子学说,补充了道尔顿的原子论。由此人们便形成了这样一种思维模式:物质由分子组成,分子由原子组成,原子不能再分。

到19世纪末,原子不可分的模式受到了冲击。美国科学家汤姆逊发现了比原子小得多的粒子——电子。接着科学家们查明,原子中心有一个很小的原子核,有些电子围着原子核运转。到20世纪30年代,人们又发现了原子核是由质子和中子组成的。质子带正电,中子是电中性,二者比电子重1800多倍。后来在宇宙线中又发现了电子的反粒子——正电子,同电子一样重,但带正电。后来人们又发现,电磁波和光也是由叫光子的粒子组成的。这样,人们就发现了比原子更深入的一个新层次——属质子、中子、电子一个层次的正电子、中微子、u子、τ子等。人们以为发现了构成物质世界的最基本单位,因此就称为基本粒子,认为他们是组成各种物质的永远不变、不可再分的基本单位。

可是后来人们发现的一些现象说明,基本粒子并不“基本”,在强子内部,还应有更小、更基本的东西。

对此,日本物理学家坂田昌一于1956年提出了著名的坂田模型,认为强子是由质子、中子、Λ超子等三种基础粒子及其反粒子组成。到了1964年,美国物理学家盖尔曼改进了坂田模型,保留了三种“基础粒子”,但不是质子,中子和Λ超子,而是由某种未知的、具有一定对称性的东西——夸克组成。为什么叫夸克呢?说起夸克的命名还有一个有趣的故事。在英国小说家詹姆斯·乔依斯的小说《劳尼根斯彻夜祭》中,有这样几句诗:“夸克……

夸克……夸克”,

三五海鸟把脖子伸直,

一齐冲着绅士马克。

除了三声“夸克”,

马克一无所得;

除了冀求的目标,

全部都归马克。至高无上的天帝,

把身子躲在云里

窥视下界,

不由得连连叹息。

马克先生啊,可笑可怜:

黑暗中拼命呼唤着——“我的衬衣,衬衣,”

为找我那条沾满污泥的长衣裤,

蹒跚在公园深处,一步一跌。小说描绘了劳恩先生的生活情况。他有时以马克先生的面目出现。夸克指海鸟的鸣叫声,又指马克的三个儿子,而马克又时时通过儿子的行为来表现自己。盖尔曼设想在一个质子里包含着3个未知粒子,便随意地给他取名为“夸克”。我国则习惯把“夸克”叫“层子”,意为比电子、质子、中子这些基本粒子更下层的粒子。

盖尔曼的夸克模式指出,这种粒子的最大特点是带分数电荷,并设想可能存在三种夸克——质子夸克、中子夸克和奇异夸克。到1974~1976年间,有人又把夸克家族增加到6个,即粲夸克、上夸克、下夸克。

既然设想到了夸克的存在,那么夸克到底在什么地方呢?有人认为夸克像蹲监狱一样,被关在强子里面。强子就像一个口袋,夸克被关在里面,它可以在口袋里自由运动,但不允许离开口袋,要想把夸克从口袋里弄出来,必须提供极大的能量,但在目前还办不到。

尽管夸克还处在假设阶段,有些物理学家又开始考虑比夸克更下一层的粒子了。欧洲核子研究中心的德·罗杰拉已经为组成夸克的粒子起名为“格里克”。后来,人们提出了五花八门的亚夸克模型,起了各种各样的名称,如亚夸克、前夸克、前子或初子,还有叫奎斯、阿尔法的。1974年,美国物理学家帕堤和萨拉姆提出了这样的亚夸克模型:i味子:p、n、λ、x,自旋s=12;ii色子:r、y、g、l,自旋s=0.它们可构成夸克ur=(pr)、uy=(py)、ug=(pg)等。还有构成轻子:e=(nl)、yu=(xl)、u=(λl)等等。1977年,日本东京大学核物理研究所寺泽英纯教授在以上模型基础上,又提出了一种新的模型:夸克=味子 色子 代子,这些味子、色子和代子,均是自旋为12的亚夸克。不管提出的模型有多么不同,但都认为夸克还有下一个层次,所以,我国把亚夸克又称为“亚层子”。

夸克到底是个什么面貌?亚夸克是否真的存在?这些还都没有结论,正期待着人们去揭示它。

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