通识物理：粒子与基本相互作用结果

随着人类对原子模型认识的完善，人们逐渐意识到原子是构成物质的最基本微粒，而质子、中子和电子则是物质的最小微粒。然而，随着20世纪更多微观粒子的陆续发现，人们才发现原来最小微粒还另有其人。

1931 年，英国理论物理学家狄拉克首次从理论上预言存在着“反电子”，即带正电的电子，又叫作“正电子”。1932 年，美国物理学家安德逊通过观测云雾室照片从实验上发现了正电子，不仅验证了狄拉克的预言，还因此而获得了1936年的诺贝尔物理学奖。正电子的发现具有十分重要的意义，它是人类认识“反粒子”的开端，正负电子相撞会湮没生成两个光子。粒子和反粒子的质量、寿命、自旋等性质都相同，只是电荷、重子数、轻子数等相加性的量子数符号刚好相反。1931年，物理大牛泡利教授又在理论上预言了“中微子”的存在，它不带电荷，质量仅为电子的百万分之一。1941年，中国的王淦昌先生在浙江大学抗战西迁的艰难历程中，提出了验证中微子存在的实验方案，并被1952年证实中微子存在的实验所采用。1959年，王淦昌先生领导的一个科研小组在苏联杜布拉联合核子研究所首次发现了“反西格玛负超子”，从而使人们确信，不仅质量较轻的粒子有反粒子，其实所有的粒子都存在反粒子。目前，人类所发现的粒子和反粒子总数已经达到数百种，而人类所发现的最后一种基本粒子是“希格斯波色子”。1964年，比利时理论物理学家恩格勒和英国理论物理学家希格斯各自提出了“希格斯波色子”理论。希格斯波色子是当时最后一种未被发现的基本粒子，也是解释粒子如何获得质量之谜的最重要粒子，有助于破解宇宙和物质的起源问题，因此希格斯波色子也被人们称为“上帝粒子”。长期以来，物理学家一直试图证明希格斯波色子的存在都没有成功。直到2012 年7 月4 日，欧洲核子研究中心公布其下属两个实验室的研究成果，初步证实发现了一种十分接近希格斯波色子的新粒子。希格斯波色子的作用在于吸引其他粒子进而让粒子产生质量，而因为发现“粒子如何获得质量”的理论，希格斯和恩格勒在2013年共同获得了诺贝尔物理学奖。

除了众多粒子和反粒子的发现，美国物理学家盖尔曼利用数学中的群论方法，在1961 年首次提出了一个新的“夸克模型”，认为质子和中子是由三个更基本的夸克u、d、s 所构成的，显然夸克才是真正的最小微粒。后来，随着核物理学的发展，人们陆续发现了6种夸克（也就是所谓的“六味夸克”），而每味夸克还有红、蓝、绿三种颜色（表示不同的自由度），因而总共有18 种夸克；再加上每种夸克所对应的反夸克，总共可以有36种夸克。而构成物质的最小粒子除了夸克以外，还有6种轻子（电子也是一种轻子）以及它们的反粒子，总共有12 种轻子。现在我们已经知道：物质由夸克和轻子组成，但是夸克还能再分吗？至少到目前为止，人类还不能成功分割夸克，甚至还没有得到单独的夸克，只能得到由夸克和反夸克所构成的介子，即夸克是禁闭的。所以，从人类目前的技术层次看，夸克和轻子已经可以算作是已知的最小微粒，而物质在夸克的尺度下也基本可以认为是不再可分的了。(www.xing528.com)

在这里，我们已经知道物质是由夸克和轻子所构成的，那么它们是如何相互作用而形成物质的呢？在回答这个问题前，我们先来看这样一个事实：原子核是由质子和中子构成的，由于电荷的“同性相斥”作用，而且原子核中带正电的质子之间的距离很小，因此质子间有很强的库仑排斥力，那么是什么力量在维持原子核的稳定性呢？显然，除了相互排斥的库仑力，质子之间必定还存在着某种相互吸引的强大核力，其强度还必须大于库仑力，但作用范围又必须小于一定范围，否则不同原子之间的质子也将相互吸引，从而导致原子结构的不稳定，这个特殊的“核力”就是“强相互作用”。除此之外，自然界还存在会引起原子核衰变，有轻子参与的另一种相互作用——“弱相互作用”，它实际上是一种破坏力。比如：中子在弱相互作用下衰变为质子、电子等，就像“岩石的风化”，是一种缓慢的、微弱的作用。正是以上的“强相互作用”和“弱相互作用”与我们所熟知的“引力”和“电磁力”，共同被称为物理世界的“四种基本相互作用”。

有趣的是，这四种基本相互作用都是通过媒介粒子来传递的，做一个不恰当的比喻：两个站在非常光滑地面上的人，他们可以通过相互扔球（媒介粒子）而产生相互间的排斥作用，但在接触到球之前，这种排斥作用则不会体现出来。根据爱因斯坦的相对论，光速为粒子运动的极限，因此通过交换媒介粒子而传递的四种基本相互作用都不是“即时”的。例如：地球是在太阳的引力作用下做绕日公转的，假设太阳突然完全消失，那么根据日地距离和光速，我们可以计算出：大约8分钟后，地球受到的太阳引力才会消失。从这个时候开始，地球才不再做椭圆形的公转运动，而是直线前进并最终迷失于茫茫宇宙。