万物规则：粒子的夸克模型与质量衰变

出于对物质本质的探究，粒子物理的相关内容一直是现代物理学研究的热点。在进入正题之前，先梳理一下历史上人们对物质粒子认知的演变。

最原始的粒子学说是由古希腊学者留基伯和德谟克利特等人提出的，也被称为朴素原子论。

他们认为万物可分，大石头可以分成小石头，小石头可以分成沙粒，沙粒能分成更小的粉尘，他们猜测这样持续不断地分割下去，总会得到一种不可再分的微粒，物质便是由许多这样微小的、不可分割的单个颗粒组成。

这种不可再分的颗粒被称为“原子”。不同物质对应着不同的原子，万物的多样性是由于构成物质的原子不同、所处状况不同及原子之间结构不同造成的。当然，这个观点本质上只是一种哲学猜测，与现代科学的研究方法无关。

后来，牛顿从力学的角度发展了这种说法，也被称为牛顿微粒说。牛顿认为，物质是由一些很小的微粒组成，这些微粒通过某种力量彼此吸引：当粒子直接接触时，这种力特别强；当粒子间的距离较小时，这种力可以使粒子彼此产生化学反应；当粒子间的距离较大时，这种力则失去作用。在牛顿眼里，万物都是由粒子组成，光也是粒子。

到了1803年，英国化学家、物理学家道尔顿创立了原子论。1811年，意大利科学家阿伏伽德罗在原子论中引入“分子”的概念，形成了我们所熟知的原子分子学说。至此，人类终于知道物质由分子组成，分子由原子组成。不过在当时，人们认为原子是不可分割的最小微粒，同种元素的原子性质和质量都相同。

这种认知持续了近一百年，直到19世纪末的最后几年相继发现了电子、X射线和放射性现象，使人们意识到原子仍然可分。随之又发现了带负电的电子，继而在带正电的原子核中发现了质子。

电子与质子可以说是最重要的两种微观粒子。一方面，任何原子中都包含这两种粒子，它们可被视作所有物质的基础；另一方面，它们刚好与正负电荷相对应，尤为特殊的是，这也是两种非常稳定的粒子^[1]。

20世纪初，人们认为微观粒子只有这几种：分子、原子、质子、中子、电子、光子，再加上那时还没有被验证的中微子^[2]，宇宙中的全部物质都是由这些微观粒子组成。

但从1937年开始，科学家在宇宙射线中又发现了一些新粒子。之后，粒子对撞机诞生，几百种新粒子借由这种仪器被发现。它们有一个共同点，就是寿命都很短暂，比如K介子的寿命只有一亿分之一秒左右^[3]。除此之外，这些粒子的质量及其在衰变时的反应各不相同。

通过爱因斯坦的质能方程，人们意识到质量与能量两者是等价的，而为数众多的新粒子展示了这样一种可能性——我们也许能够借此一窥能量与质量之间的秘密，并触摸到物质的本质。

然而，这些新粒子的种类实在太多了，比元素周期表中的化学元素还要多，很多人不禁感慨，为什么粒子物理学的研究者竟然需要记忆比植物学家还要多的内容。这促使科学家积极寻找方法为它们归类，这个方向的研究催生出夸克假说和粒子的标准模型理论，也就是现在最前沿的粒子理论体系。

人们已经知道，分子可分为原子，原子可分为原子核与电子，原子核可分为质子与中子。而在标准模型的设想里，质子与中子由一种叫做“夸克”的更小微粒组成。也就是说，质子和中子不再是构成物质的最基本粒子，而是由更小的夸克所组成的复合粒子。

夸克被认为是不可再分的粒子，这类不可再拆分的粒子在标准模型理论中被称为基本粒子，这样的基本粒子一共有62种，其中有我们熟悉的电子、光子和夸克，也有一般人不太熟悉的W&Z玻色子和希格斯粒子等，而一切其他粒子都可以被描述为这62种基本粒子组成的复合粒子。比如质子和中子就被认为是由三个夸克粒子所组成的复合粒子。

标准模型是一个理论集，它涵盖许多重要内容，不只涉及粒子的最终构成，更关心粒子之间如何发生交互，以及粒子与场的关系、能量如何形成质量等。当然，它还延续了相对论与量子力学的思路，这些都是物理世界中的本质性问题。

这些内容与大众相去甚远，且数学在其中发挥了巨大作用。如前所述，这个领域的一些认知还没有彻底理清，并且违背直觉，所以对普通读者谈不上友好。

细节略去不提，我们只需要注意：

1.标准模型仍然是一个发展中的模型，也是一个仍在接受推敲、检验的模型。(www.xing528.com)

2.标准模型理论建立在一些假设的基础上。其中一个核心假设就是“夸克模型”假设。这是现代物理学中对粒子认知的最前沿理论，而这个假设也正是将质子、中子等粒子继续拆分的理论基础。

夸克模型是基于1967年的电子—质子非弹性散射实验而提出的。在这个实验中，科学家给电子施加了非常高的能量，使电子可以深入质子内部，然后去跟踪、统计电子的落点，借此判断质子内部的结构。

研究发现，大部分电子的前进方向并没有受到影响，这也意味着质子并不是一个实心的球体，它的内部仍然存在空间。可是，有些电子反射的方向非常特殊甚至被反射回来，这说明电子在质子内部遇到的不是“软”的质子靶，而是和电子类似的点状“硬”核。

由此，科学家得出结论：既然质子内部大部分是空的，其中还有“硬”核，所以质子不应被认为是基本粒子，而应该是由这种“硬”核粒子所形成的复合粒子。又经过一段时间的研究，人们将这种“硬”核粒子命名为夸克，认为夸克才是更基础的粒子，而质子是三个夸克的结合。

类似还有更早的原子对α粒子散射的系列实验，这一系列实验使人们认识到原子核仍然可分，并导致质子在随后被发现。这两个实验非常相似，所以当人们发现质子内部还存在“硬”核以后，一直试图将夸克从质子中轰击出来，然而，从来没有人在实验中看到单独的夸克粒子。于是，人们只好提出一种“补丁”理论——夸克禁闭，认为无论采用什么办法，都不能使夸克离开其他的夸克，成为可以被实验观测到的自由夸克。

夸克禁闭虽然理论自洽，但这也使我们无法真正确定夸克是否存在，其中留有遗憾，也埋下了隐患，但不管怎样，夸克模型在解释许多粒子问题时都是有效的。如今，质子由三个夸克粒子组成这种认知已经被学界普遍接受。

标准模型通过对包括各类夸克在内的62种基本粒子的界定，对几百种新粒子（都是由不同的基本粒子组合而成）加以分类。只不过同样的，当人们对此进行研究时，也从来没人能通过实验直接验证夸克的存在，所有相关论断都是基于间接的证明或者理论上的判断。

不过，夸克模型很好用，正是在它的帮助下，标准模型终结了几百种粒子无法分类的混乱状态，而且在这个理论指导下，几种预言的新粒子被相继发现。由此，夸克模型与建立在其上的标准模型成为描述微观粒子相关内容的最权威理论。

其实，标准模型不只解决了粒子的分类问题，更致力于发现粒子与粒子之间是如何发生作用的。标准模型理论的提出，也带来了对“场”的重新思考。

人们发现粒子具有波粒二象性，也发现了不确定性原理，这就意味着粒子的空间位置是不可确定的概率云。粒子的位置是一个空间范围，场同样如此，这提示研究者将粒子与场关联起来看待，这是量子力学的内容；如果再将相对论的四维时空结构融进来，则是量子场论。

既然一定空间内场的动量与能量能被计算出来，那么对于经典场论而言，粒子与场都可以被同一套方法所研究。而在量子场论中，除了引力场，其他三种基本力场都可以被量子化，实现场作用的虚粒子在场的空间范围内不断生灭，所以，场可以被视为粒子的集合体。

这种思维引发了对粒子性质的讨论。比如，电子的周围有电场，那电场是不是可以被认为是属于电子本身的一部分？电子有自己的四维时空结构，那粒子对应的时空场该怎么理解？电子有能量、质量、电荷，这些属性是电子的内蕴属性么？也就是说，包括场在内的许多特性难道都是粒子的内蕴属性？

然而，标准模型理论却有不同的诠释：粒子不再是物质的本质，而是“万物皆场”，所有实体粒子只是其对应场的不同激发态，甚至质量也只是场作用下的表象。

需要注意的是，标准模型仍不是一套万能理论，除了无法解释引力以及夸克不可单独观测以外，它的预测有时也会失灵。比如中微子最初被认为没有质量，后来实验证实，中微子的质量虽然几乎为零但毕竟不是零，这促使标准模型理论不断自我迭代。

另一方面，虽然标准模型试图打通相对论与量子论，却无法弥合两者在一些基础认知上的差异。而且，标准模型的研究工作无法离开粒子加速器和大量的实验与统计（这是旷日持久的艰苦工作），也依赖实验物理（当然，还有数学）的持续进步。

可以说，标准理论模型的主体虽已确立，但它的前提假设是否成立，其细节又将经历怎样的修正，这仍然是相关研究者今后的工作重点。