作者：張?zhí)烊?/a>
回溯量子理論的誕生和發(fā)展，至此我們已經(jīng)反復(fù)提到過基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型。雖然宇宙中的基本相互作用可以歸納統(tǒng)一為四種，但實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的各類粒子越來(lái)越多，有好幾百種象“粒子動(dòng)物園”。那么，科學(xué)家們又是如何確定其中的哪些“動(dòng)物”是“基本粒子”呢？
確立基本粒子概念是還原論的產(chǎn)物。從古希臘開始，哲人們追求“萬(wàn)物之本”，其中較典型的是“原子派”，認(rèn)為萬(wàn)物都是由原子組成的。
什么是萬(wàn)物之本？
彼原子非此原子也！不同的思維脈絡(luò)會(huì)得出不一致的結(jié)果。從古希臘到19世紀(jì)初的英國(guó)道爾頓，原子學(xué)說(shuō)經(jīng)歷了約2000年的發(fā)展和變遷，古人思考物質(zhì)世界的哲學(xué)轉(zhuǎn)型成了完全不同的科學(xué)。至1908年，新西蘭物理學(xué)家盧瑟福通過散射實(shí)驗(yàn)確立了原子的核式結(jié)構(gòu)——電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的行星際模型。盧瑟福實(shí)驗(yàn)還說(shuō)明原子核能互相轉(zhuǎn)換，例如用α粒子轟擊氮原子能產(chǎn)生氧原子和氫核。這促使人們認(rèn)識(shí)到原子核不是最基本的粒子，即原子是由某種更小的粒子組成的。后來(lái)人們把這個(gè)基本組分命名為“質(zhì)子”。隨后，科學(xué)家們又在1932年發(fā)現(xiàn)了“中子”。于是，質(zhì)子和中子被稱統(tǒng)稱為“核子”。
對(duì)核子的研究導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)相互作用。因?yàn)橘|(zhì)子和中子總是被束縛在原子核里面，科學(xué)家們猜測(cè)一定有某種比電磁作用要強(qiáng)很多的另一種短程作用，才使得帶正電的質(zhì)子相互不會(huì)因?yàn)殡姶诺模ㄅ懦猓┳饔枚环€(wěn)定。
自從上世紀(jì)30年代開始建造高能回旋粒子加速器，又有新的粒子被不斷發(fā)現(xiàn)。其中包括輕子、介子，還有各種反粒子等。各類粒子日益增多，令人目不暇接。到了60年代，觀測(cè)到的不同粒子已達(dá)200多種，被人們笑稱為“粒子家族大爆炸”。這個(gè)時(shí)期的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家興奮雀躍，而理論物理學(xué)家一籌莫展。
實(shí)際上，從上世紀(jì)50年代開始，理論物理學(xué)就一直充滿了挫折與困惑。40年代末量子電動(dòng)力學(xué)的成功曾給物理理論帶來(lái)了一段蓬勃發(fā)展，但在電子光子相互作用上頗為成功的量子場(chǎng)論擬合到“強(qiáng)弱”相互作用時(shí)遭遇了困難。b衰變中的弱相互作用按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的四費(fèi)米子理論只適合低能情況，無(wú)法用原來(lái)的重整化方法消除無(wú)窮大。并且，弱作用還經(jīng)常表現(xiàn)出與眾不同的“不守恒”。此際，三位華裔科學(xué)家（李政道、楊振寧、吳健雄）提出并驗(yàn)證了“宇稱不守恒”。對(duì)于強(qiáng)相互作用，當(dāng)時(shí)有一個(gè)湯川理論可以消除無(wú)窮大困難，但由于相互作用太強(qiáng)，使得具體計(jì)算中的微擾論無(wú)法應(yīng)用。這些問題迫使科學(xué)家們不得不重新思考，使得對(duì)量子場(chǎng)論的研究一度陷于低谷。
隨著日益壯大的“粒子動(dòng)物園”，物理理論面臨著如同19世紀(jì)中期化學(xué)家們遇到的困境一樣，物理學(xué)急需一個(gè)類似于“元素周期表”的“粒子表”。物理學(xué)家們通過分類、整理“動(dòng)物園”的粒子，一直到1970年代才形成標(biāo)準(zhǔn)模型的框架。該模型將大多數(shù)粒子看作是少數(shù)基本粒子的復(fù)合粒子，基本理清了“粒子動(dòng)物園”的混亂局面。
有人說(shuō)危機(jī)就是契機(jī)，而歷史總是反復(fù)玩弄“危機(jī)-契機(jī)”的花招來(lái)折磨科學(xué)家。危機(jī)嚇唬的是老一輩，得到契機(jī)的是年輕人。量子理論的發(fā)展是一代又一代年輕物理學(xué)家爭(zhēng)奇斗艷的歷史，標(biāo)準(zhǔn)模型的建立也是經(jīng)歷了許多錯(cuò)誤和挫折之后才做出一些重大的發(fā)現(xiàn)。其中具有里程碑意義的主要是引入對(duì)稱自發(fā)破缺概念、完備楊-米爾斯規(guī)范理論和建立夸克模型。
在新發(fā)現(xiàn)的眾多粒子中，大都與強(qiáng)相互作用相關(guān)，是壽命超短（～10-23秒）的共振態(tài)粒子。它們和中子、質(zhì)子一起被稱為“強(qiáng)子”。正是因?yàn)閺?qiáng)子的種類多、相互作用力強(qiáng)，吸引了很多年輕物理學(xué)家的研究興趣。
不同于社會(huì)發(fā)展史，科學(xué)的歷史總是由英雄來(lái)描寫的。美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）提出八正法拼湊的夸克模型奠定了強(qiáng)與弱、電統(tǒng)一的基礎(chǔ)。
蓋爾曼出生于紐約曼哈頓，是早年從奧匈帝國(guó)移居美國(guó)的猶太裔后代。他記憶超群、興趣廣泛、語(yǔ)言能力極強(qiáng)，曾被同學(xué)們譽(yù)為“百科全書”。他本來(lái)特別喜歡花鳥蟲草，各種植物動(dòng)物，但他最終闖入了理論物理的象牙塔中。
蓋爾曼在耶魯讀本科，麻省修博士，隨后又到普林斯頓研究院呆了一年，那正是愛因斯坦閉門營(yíng)造統(tǒng)一夢(mèng)的日子。1952年，蓋爾曼赴芝加哥大學(xué)隨費(fèi)米手下工作，開始對(duì)強(qiáng)相互作用感興趣。
默里·蓋爾曼
提出“奇異數(shù)”概念是蓋爾曼研究強(qiáng)相互作用所做出的第一項(xiàng)跨越。當(dāng)他轉(zhuǎn)到加州理工學(xué)院后，和比他大10歲的費(fèi)曼在一起成為50-60年代物理界最耀眼的明星。兩位對(duì)手的物理思想在激烈的競(jìng)爭(zhēng)和永無(wú)休止的爭(zhēng)吵辯論中發(fā)展成熟起來(lái)。恰如溫伯格所說(shuō)，到那兒去作報(bào)告時(shí)務(wù)必得作好長(zhǎng)時(shí)間“激戰(zhàn)”的準(zhǔn)備！
1954年，楊振寧和米爾斯提出Yang-Mills非阿貝爾規(guī)范理論的初衷是企圖解決強(qiáng)相互作用問題。他們用SU(2)碰到的困難啟發(fā)了蓋爾曼。他意識(shí)到粒子動(dòng)物園的強(qiáng)子太多，其對(duì)稱性或許要用比SU(2)更為復(fù)雜一些的群來(lái)描述。聰明的蓋爾曼選中了SU(3)，這是一個(gè)有8個(gè)參數(shù)的李群。
蓋爾曼聯(lián)想到佛教術(shù)語(yǔ)“八正道”（見圖），而自旋為1/2的重子正好也是8個(gè)。于是，蓋爾曼將這8個(gè)重子按照奇異數(shù)和電荷數(shù)的不同，排列成了一個(gè)正6邊形圖案。圖中的S是奇異數(shù)，表示縱向坐標(biāo)，斜向的對(duì)角線表示粒子具有相同的電荷。蓋爾曼如法炮制，又將不同種類的介子也排成了8個(gè)一組的正6邊形，由此得到了他稱之為“八正法”的模型。
蓋爾曼的八正法
他隨后發(fā)現(xiàn)，雖然SU(3)群是8階李群，但它表示的并不只限于8重態(tài)，還有10重態(tài)、27重態(tài)等，這些又代表哪些粒子呢？他起初想把“粒子動(dòng)物園”中的強(qiáng)子盡可能地都排列到SU(3)群中，后來(lái)他意識(shí)到不能這樣沒完沒了地排下去，如果再有新的粒子被發(fā)現(xiàn)，哪排到何年何月為止？蓋爾曼還注意到，SU(3)有一個(gè)最簡(jiǎn)單的3重態(tài)表示，可以考慮SU(3)的其它表示都用3重態(tài)的圖案（圖中的三角形）。于是，數(shù)字“3”經(jīng)常浮現(xiàn)在蓋爾曼的腦海里。
著眼于數(shù)字3與強(qiáng)子的構(gòu)成有關(guān)，蓋爾曼經(jīng)過反復(fù)思考，他認(rèn)為質(zhì)子和中子是由3個(gè)更基本的粒子構(gòu)成的。蓋爾曼念頭當(dāng)初讓物理學(xué)家們止步的原因與電荷有關(guān)，因?yàn)檫@個(gè)理論需要假設(shè)更“基本”的磚塊具有分?jǐn)?shù)電荷，比如1/3個(gè)電子電荷?？墒窃趯?shí)驗(yàn)中誰(shuí)也沒見過分?jǐn)?shù)電荷。然而沒見過的東西不等于不存在。最后，蓋爾曼終于越過了這個(gè)“坎”，開始用這些帶分?jǐn)?shù)電荷的東西來(lái)構(gòu)建理論，并且給它們起了一個(gè)古怪的名字“夸克”。它來(lái)自于蓋爾曼當(dāng)時(shí)正在讀的喬伊斯的一本小說(shuō)，蓋爾曼欣賞其中的一句：“沖馬克王叫三聲夸克！”太好了，念起來(lái)聲音響亮，含義帶點(diǎn)莫名其妙的色彩，又與數(shù)字3有關(guān)，真是一個(gè)恰當(dāng)?shù)拿郑?/span>
在經(jīng)過了多次的反復(fù)和猶豫之后，蓋爾曼1964年提出了夸克模型。每個(gè)重子由3個(gè)夸克（或反夸克）組成，每個(gè)介子都由兩個(gè)夸克（或反夸克）構(gòu)成。由于實(shí)驗(yàn)中從未觀察到單獨(dú)的夸克，他考慮引入“夸克禁閉”理論來(lái)解釋。1968年，斯坦福大學(xué)的SLAC用深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)證明了質(zhì)子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這相當(dāng)于間接證明了夸克的存在。之后又有更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持強(qiáng)子夸克模型。1969年，蓋爾曼因?yàn)閷?duì)基本粒子的分類及其相互作用所做的工作，獨(dú)攬諾貝爾物理獎(jiǎng)。
當(dāng)然，強(qiáng)子分類也不完全是蓋爾曼一人的功勞，也不是他第一個(gè)用SU(3)群研究強(qiáng)子。日本的坂田昌一在50年代就提出基于SU(3)的坂田模型。那時(shí)他們將質(zhì)子、中子和L粒子作為基本磚塊，企圖構(gòu)成其它的重子。在蓋爾曼提出八正法的同一年（1961年），以色列的內(nèi)埃曼亦獨(dú)立地開發(fā)出一套相近的理論。兩人還幾乎同時(shí)獨(dú)立地用他們各自的理論預(yù)言了W-粒子的存在。這個(gè)粒子在1964年被發(fā)現(xiàn)，這是對(duì)八正法模型的強(qiáng)有力支持。
在蓋爾曼提出夸克模型的同時(shí)，另一位出生于莫斯科的猶太裔美國(guó)物理學(xué)家喬治·茨威格（George Zweig）也獨(dú)立提出了類似的模型。當(dāng)然不是叫夸克，茨威格將其稱為“艾斯”（Aces）。遺憾茨威格后來(lái)沒有繼續(xù)物理研究，而是轉(zhuǎn)向了神經(jīng)生物學(xué)。
作為物理學(xué)的“元素表”，強(qiáng)作用的八正法夸克模型只是其中的一塊拼圖，尚需要與另外三種相互作用統(tǒng)一起來(lái)。然而對(duì)于引力的統(tǒng)一科學(xué)家視乎還無(wú)從著手，而弱、電的統(tǒng)一經(jīng)過重整化已經(jīng)獲得了圓滿解決。
相對(duì)于電磁作用而言，強(qiáng)相互作用是電磁作用的137倍，弱作用則比電磁作用要小11個(gè)數(shù)量級(jí)。
電磁力和引力的作用范圍可以遠(yuǎn)至無(wú)窮，而強(qiáng)力范圍只在10-15米之內(nèi)，弱力的效應(yīng)就更小到10-18米之內(nèi)。弱力和電磁力的統(tǒng)一要?dú)w功于1979年的三位諾貝爾物理獎(jiǎng)得主以及他們的前輩。
格拉肖和溫伯格是高中同班同學(xué)——著名的、有8位校友獲諾貝爾獎(jiǎng)（其中7位物理獎(jiǎng)）的紐約布朗克斯中學(xué)，另一位諾獎(jiǎng)得主是巴基斯坦物理學(xué)家薩拉姆。
1979年的諾貝爾物理獎(jiǎng)得主
格拉肖在哈佛讀博士時(shí)，師從著名物理學(xué)家施溫格（Schwinger）。施溫格最早提出了電弱統(tǒng)一理論的想法。1961年，格拉肖使用楊-米爾斯規(guī)范理論推廣了施溫格的模型，用SU(2)xU(1)群統(tǒng)一描述弱電作用，但留下了規(guī)范場(chǎng)的質(zhì)量問題尚未解決。電磁場(chǎng)的傳播子是無(wú)質(zhì)量的光子，意味電磁相互作用的強(qiáng)度隨著距離增加是多項(xiàng)式衰減（勢(shì)場(chǎng)變化1/r）。相比電磁力是長(zhǎng)程力，短程弱作用的衰減規(guī)律是 e-mr/r，其中的m不為零，是傳播子的質(zhì)量。
直到1967年學(xué)界提出希格斯機(jī)制之后，溫伯格和薩拉姆分別獨(dú)立地應(yīng)用希格斯機(jī)制發(fā)展出了一種弱、電統(tǒng)一理論（后來(lái)被稱為量子味動(dòng)力學(xué)(QFD)）。它確定了電弱統(tǒng)一的規(guī)律由SU(2)xU(1)描述，確定了4種作用傳播子：光子、W＋和W－粒子、Z0粒子。其中W粒子和Z粒子是傳播弱作用的粒子，都具有較大的質(zhì)量（大于質(zhì)子質(zhì)量的100倍）。弱電模型預(yù)言的Z粒子引發(fā)的中性流于1973年被中微子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（于1978年最后證實(shí)）。之后，W和Z粒子均在1983年被西歐核子研究中心龐大的超同步質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)。另外，Veltman 和他的學(xué)生 't Hooft用路徑積分方法也完成了弱電理論的重整化。這些成果都證實(shí)或支持了弱電理論的正確性。
當(dāng)夸克模型抽象為量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）之后，不包刮引力的基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型便基本成型了。
按照標(biāo)準(zhǔn)模型，基本粒子是組成物質(zhì)的最基本單元。這些基本粒子有無(wú)更深層次的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尚未知，也無(wú)法確認(rèn)是否由其它更基本的粒子所組成。所以基本粒子的概念是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而改變的。目前，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)粒子的分類如下圖。
粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型
基本粒子的拼塊（分類）比化學(xué)元素周期表看起來(lái)簡(jiǎn)單多了。
從自旋的角度看，所有的微觀粒子分為兩大類：費(fèi)米子和玻色子——自旋為半整數(shù)的粒子為費(fèi)米子；自旋為整數(shù)的粒子為玻色子。
從基本粒子的總數(shù)目看是62種（其中包含一個(gè)預(yù)設(shè)的引力子）。圖中所示的是大框架，主方塊中標(biāo)出的是4X4=16種基本粒子，12類費(fèi)米子和4類玻色子。加上這些粒子的反粒子（光子的反粒子是它自身），再加上希格斯玻色子，共61種。科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的大統(tǒng)一就是要找到第62種基本粒子——引力子。
12類費(fèi)米子按4個(gè)1組，分別成為夸克和輕子的3代家族。只有第一代家族的4個(gè)粒子：上夸克、下夸克、電子、電子中微子，才是構(gòu)成通?？梢娢镔|(zhì)的基本磚塊，其它兩代家族都與常見物質(zhì)無(wú)關(guān)，它們被劃分是第一代家族衍生出來(lái)的更重的家伙，所以除了專門的粒子學(xué)家之外，其他人可以不理會(huì)它們，也沒有必要關(guān)注它們的存在。
質(zhì)子和中子屬于復(fù)合粒子，沒有被認(rèn)為是物質(zhì)的基本單元。它們作為原來(lái)被理解的核子其實(shí)是由更小更為基本的夸克和反夸克構(gòu)成的：每個(gè)質(zhì)子由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成；每個(gè)中子由1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克組成。
比較復(fù)雜是4類玻色子（12種），它們是相互作用的傳遞媒介粒子。
在玻色子中，列于最上面的膠子（gluon）用符號(hào)g表示，是夸克之間強(qiáng)相互作用的傳播粒子。膠子場(chǎng)是SU(3)群，有8個(gè)生成元，因而膠子有8種，膠子的自旋是1。膠子之下是光子，它是電磁相互作用的傳播粒子。電磁場(chǎng)符合U(1)對(duì)稱性，U(1)有1個(gè)生成元，因而對(duì)應(yīng)的傳播子（光子）只有一種，光子的自旋為1。然后，Z粒子和W粒子是傳播弱相互作用的，共3種。
拼圖的最右上方是希格斯玻色子。它是上帝，專門為它的臣民（所有基本粒子）提供質(zhì)量，讓它們普度眾生。但上帝沒有去恩賜光子。
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