1、第三十五章：粒子世界的纷繁变化，让我们目瞪口呆！既然是量子力学科普书籍，自然离不开谈粒子。那么目前我们发现了多少种粒子？都是那些？它们各自的特性是什么？一起来看看吧。我们现在所学习的量子力学体系叫标准模型。标准模型（英语：Standard Model, SM）是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。到目前为止，几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它并没有描述到引力，这个我在变化一书中就分析过原因，在这里就不说了。我们说本章要介绍粒子世界，主要是介绍基本粒子。不包含分子，原子这些内容。在标准模型理论里共6
2、1种基本粒子（见表）包含费米子及玻色子。费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。我们就根据上图所示的内容，一 一为大家介绍。首先是夸克。上面说了根据特性分为三代。如下图。夸克（英语：quark）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。因为这个
3、原因，人类对夸克的所知大都是来自对强子的观测。所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。夸克有六种“味”，分别是上、下、粲、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型
4、中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁、重力、强相互作用及弱相互作用）。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。通过上面的图，就可以看出这点。夸克每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，在对应的夸克符号上加一横作为标记，例如u代表反上夸克。跟一般反物质一样，反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋，但两者的电荷及其他荷的正负则相反。夸克模型分别由默里盖尔曼与乔治茨威格于1964年独立地提出。引入夸克这一概念，是为了能更好地整理各种强子，而当时并没有什么能证实夸克存在的物理证据，直到1968年SLAC开发出深度非弹性散射（
5、英语：Deep inelastic scattering）实验为止。夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到；而于1995年在费米实验室被观测到的顶夸克，是最后发现的一种。夸克的自旋为12，因此根据自旋统计定理，它们是费米子。它们遵守泡利不相容原理，即两个相同的费米子，不能同时拥有相同的量子态。这点跟玻色子相反（拥有整数自旋的粒子），在相同的量子态上，相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同的是，夸克拥有色荷，因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系，而形成的复合粒子，叫做“强子”。在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”；除了这些夸克，任何强子都可以含有无限量的虚（或“海”）夸克、反夸克
6、，及不影响其量子数的胶子。强子分两种：带三个价夸克的重子，及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。最常见的重子是质子和中子，它们是构成原子核的基础材料。我们已经知道有很多不同的强子。它们的不同点在于其所含的夸克，及这些内含物所赋予的性质。基本费米子被分成三代，每一代由两个轻子和两个夸克组成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终，又有有力的间接证据支持不会有超过三代。代数较高的粒子，一般会有较大的质量及较低的稳定性，于是它们会通过弱相互作用，衰变成代数较低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常见的。较重的夸克只能通过高能
7、碰撞来生成（例如宇宙射线），而且它们很快就会衰变；然而，科学家们相信大爆炸后，第一秒的最早部分会存有重夸克，那时宇宙处于温度及密度极高的状态（夸克时期）。重夸克的实验研究都在人工的环境下进行，例如粒子加速器。在夸克理论的初期，当时的“粒子动物园（英语：Particle zoo）”除了其他各种粒子，还包括了许多强子。盖尔曼和茨威格假定它们不是基本粒子，而是由夸克和反夸克组成的。在他们的模型中，夸克有三种味，分别是上、下及奇，他们把电荷及自旋等性质都归因于这些味。初时物理学界对于这份提案的意见不一。当时学界对于夸克的本质有所争论，一方认为夸克是物理实体，另一方则认为，它只是用来解释当时未明物理的抽
8、象概念而已。在一年之内，就有人提出了盖尔曼茨威格模型的延伸方案。谢尔登李格拉肖和詹姆斯布约肯（英语：James Bjorken）（James Bjorken）预测有第四种夸克存在，他们把它叫做“粲”。加上第四种夸克的原因有三：一、能更好地描述弱相互作用（导致夸克衰变的机制）；二、夸克的数量会变得与当时已知的轻子数量一样；三、三、能产生一条质量方程，可以计算出已知介子的质量。后来斯坦福线性加速器中心（SLAC）深度非弹性散射实验在1968年指出，质子含有比自己小得多的点状物，因此质子并非基本粒子。物理学家当时并不愿意把这些物体视为夸克，反而叫它们做“成子一个由理查德费曼所创造的新词。随着更多味的
9、发现，在SLAC所观测到的粒子后来被鉴定为上及下夸克。不过，“成子”一词到现在还在使用，是重子构成物（夸克、反夸克和胶子）的总称。奇夸克的存在由SLAC的散射实验间接证实：奇夸克不但是盖尔曼和茨威格三夸克模型的必要部分，而且还解释到1947年从宇宙射线中发现的K和强子。在1971年的一份论文中，格拉肖、约翰李尔普罗斯和卢奇亚诺马伊阿尼（Luciano Maiani）一起对当时尚未发现的粲夸克，提出更多它存在的理据。到1973年，小林诚和益川敏英指出再加一对夸克，就能解释实验中观测到的CP破坏，于是夸克应有的味被提升到现时的六种。粲夸克在1974年被两个研究小组几乎同时发现（见十一月革命）一组在
10、SLAC，由伯顿里克特领导；而另一组则在布鲁克黑文国家实验室，由丁肇中领导。观测到的粲夸克在介子里面，与一个反粲夸克束缚（Bound state）在一起。两组分别为这种介子起了不同的名子：J及；因此这种粒子的正式名子叫J/介子。这个发现终于使物理学界相信夸克模型是正确的。底夸克在1977年被利昂莱德曼领导的费米实验室研究小组观测到。这是一个代表顶夸克存在的有力征兆：没有顶夸克的话，底夸克就没有伴侣。然而一直都没有观测到顶夸克，直至1995年，终于被费米实验室的CDF（英语：Collider Detector at Fermilab）及D（英语：D0 experiment）小组观测到。它的质量比
11、之前预料的要大得多几乎跟金原子一样重。这就是关于夸克的介绍，接下来我们认识一下轻子。让我们先来看看轻子列表。总计共有12个。轻子（Lepton）是一种不参与强相互作用、自旋为1/2的基本粒子。电子是最为人知的一种轻子；大部分化学领域都会涉及到与电子的相互作用，原子不能没有它，所有化学性质都直接与它有关。轻子又分为两类：“带电轻子”与“中性轻子”。带电轻子包括电子、子、子，可以与其它粒子组合成复合粒子，例如原子、电子偶素等等。 在所有带电轻子中，电子的质量最轻，也是宇宙中最稳定、最常见的轻子；质量较重的子与子会很快地衰变成电子，子与子必须经过高能量碰撞制成，例如使用粒子加速器或在宇宙线探测实验。
12、中性轻子包括电中微子、中微子、中微子；它们很少与任何粒子相互作用，很难被观测到。轻子一共有六种风味，形成三个世代。第一代是电轻子，包括电子（e）与电中微子 （e）。第二代是缈轻子，包括子（）与中微子 （）。第三代是陶轻子，包括子（）与中微子（）。轻子拥有很多内秉性质，包括电荷、自旋、质量等等。轻子与夸克有一点很不相同：轻子不会感受到强作用力。轻子会感受到其它三种基础力：引力、弱作用力、电磁力。但是，由于中微子的电性是中性，中微子不会感受到电磁力。每一种轻子风味都有其对应的反粒子，称为“反轻子”。带电轻子与对应的反轻子唯一不同之处是带有电荷的正负号相反。根据某些理论，中微子是自己的反粒子，但这论
13、点尚未被证实。在标准模型里，轻子扮演重要角色，电子是原子的成分之一，与质子、中子共同组成原子。在某些被合成的奇异原子里，电子被更换为子或子。像电子偶素一类的轻子-反轻子粒子也可以被合成。最先被辨识的轻子是电子，英国物理学者约瑟夫汤姆孙与实验团队于1897年发现电子。1930年，沃尔夫冈泡利大胆假设电中微子存在，这是为了解释衰变的能量缺失问题，挽救能量守恒定律；泡利认为，所有最初与最终观察到的粒子的能量差，都被一种尚未探测到的粒子带走了，这粒子具有电中性，不会留下轨迹，所以很难探测到。三年后，恩里科费米给出理论，成功描述衰变，强力支持泡利的假设。费米将这粒子命名为“中微子”，意思为“微小的中子”
14、。在那时期，电中微子被称为中微子，因为尚未发现其它世代的中微子。1956年，克莱德科温与弗雷德里克莱因斯共同完成科温-莱因斯中微子实验（英语：CowanReines neutrino experiment）首先直接观察到中微子的存在。在电子被发现大约40年之后，卡尔安德森于1936年发现了子。由于它的质量，子最初被归类为介子，而不是轻子。渐渐地，学者发觉子的性质更接近电子，只是质量比较大，而且子不会感受到强相对作用，不具有介子的性质。1947年，才有学者开始提议一群粒子被归类为轻子的概念。后来，子被重新归类，子、电子与电中微子一起被归类为轻子。1962年 利昂莱德曼、梅尔文施瓦茨与杰克施泰因贝
15、格尔做实验直接探测到中微子，证实不只一种中微子存在。马丁佩尔与他的实验团队于1975年完成实验首先探测到子。如同电子与子，物理学者认为它应该也有伴随的中微子，这是因为他们观察到类似衰变的缺失能量问题。费米实验室的直接观察中微子实验（Direct Observation of the NU Tau，DONUT ）团队于2000年探测到中微子参与作用的证据。虽然现有数据符合三个世代的轻子，有些粒子物理学者仍在寻找第四代带电轻子。这种带电轻子的质量下限为100.8 GeV，伴随它的中微子最少应该带有质量45.0 GeV。轻子是自旋12粒子，只能处于两种自旋态：上旋或下旋。自旋统计定理将它们按照自旋归
16、类为费米子，遵守泡利不相容原理，因此任何两个全同的轻子不能同时占有相同的量子态。手征性与螺旋性（helicity）是与自旋紧密相关的两种性质，螺旋性跟粒子的自旋与动量之间的相对方向有关；假若是同向，则粒子具有右手螺旋性，否则粒子具有左手螺旋性。对于不带质量粒子，这相对方向与参考系无关，可是，对于带质量粒子，由于可以借着洛伦兹变换来改换参考系，从不同的参考系观察，粒子动量不同，因此翻改螺旋性，可以从右手螺旋性翻改为左手螺旋性，或从左手螺旋性翻改为右手螺旋性。手征性是通过庞加莱群（Poincar group）的变换来定义的性质。对于不带质量粒子，手征性与螺旋性一致；对于带质量粒子，手征性与螺旋性有别。在
