基本粒子周期表

在撞擊實驗過去一個世紀之后，物理學家發現了十二種基本物質粒子，并把它們排列在了下面的表格里。

讓我們花一點時間了解這個表格的重要性。記住，原始人物理學家奧克和古可最初的宇宙理論是這樣的：

這是一幅完整的宇宙信息圖像，但它沒有什么用處，因為它沒有呈現任何基本的、有價值的信息。它只是呈現了顯而易見的事情。后來，古希臘人提出，萬物是由四種元素構成的：水、土、空氣和火。現在我們知道，這完全是錯誤的，但是古希臘人至少在正確的方向上邁進了一步，因為這個想法試圖簡化人類對于這個世界的描述。

接下來，人們發現，元素、石頭、土壤、水和羊駝都是由原子組成的。再后來，人們發現原子是由更小的粒子組成的，其中一些還可以分成更小的粒子（夸克）。以往的經驗告訴我們，原子和羊駝都不是構成宇宙的基本單位。如果存在一個宇宙的基本公式，那么我們可以確定，不管這個公式是什么樣的，它肯定不包含一個叫作N羊駝的變量。羊駝和原子都無法定義物質的本質，它們僅僅是基本單位所堆積出來的東西（抱歉，羊駝！），就好比龍卷風是風的表象，恒星是氣體和引力的表象。

為已知和未知的情況列表可以幫助我們發現規律和缺失。假設你是19世紀的科學家（是的，你可以想象自己戴著很丑的眼鏡），你并不知道原子實際上由更小的電子、質子和中子構成。如果你把自己知道的信息歸納成一個元素周期表，那么你會發現一些有趣的事情。

你會注意到，元素周期表一側的元素非常容易發生化學反應，而另外一側的元素則是惰性的。位置相近的元素（比如金屬元素）具有相似的性質。一些元素比另一些更難找到。

所有這些令人好奇的規律都提供了一個線索：元素周期表呈現的并不是最基本層面上的宇宙。也就是說，這背后還有更深層次的東西。舉個例子：你碰到一群孩子，并且注意到了他們的共同點。雖然各有特點，但他們的長相和行為相似，你或許會假設他們的父母是同一對夫妻。同樣，科學家在查看周期表早期版本的時候，也注意到了這些規律，于是他們開始思考這背后藏著什么。

我們現在知道，元素周期表中的規律關乎電子軌道的排列方式。我們還知道，元素周期表上每一個位置都有一個元素，一些元素之所以稀有，是因為它們會產生放射性衰變。只要把合適數目的中子、質子和電子放在一起，我們就可以得到任何一種元素。

重點在于，我們需要把已有的知識組織起來，仔細研究，發現其中的規律和缺失，并且由此提出正確的問題。通過這樣的過程，我們最終會在更深的層面上了解宇宙。

整理基本物質粒子表（包含夸克和輕子）讓科學家花費了20世紀的大多數時間。我們稱這些粒子為基本粒子，這并不是因為它們有趣（盡管它們確實很有趣），而是因為我們還沒發現它們是由更小的粒子構成的。其實我們沒有任何證據能證明它們是宇宙中最基本的粒子，但它們是我們目前所知道的最小物質單位。

研究一下前面出現過的粒子表格，你也會注意到一些有趣的規律。你會發現兩種不同的物質粒子：夸克和輕子。我們知道它們有所不同，因為夸克還會受到強核力的作用，這一點和輕子不同。你還會注意到，構成常規物質的粒子都位于第一列（上夸克、下夸克、電子）。第一列中有被稱為電子中微子（νe）的第四個粒子，它像幽靈般快速穿過宇宙，幾乎不與其中的東西相互作用。

這還不是全部，除了這四個粒子，還有一些粒子位于其他列。除了質量更大之外，每一列的粒子都和第一列很像（具有相同的特性，比如電荷和力的相互作用）。每一列都是一代，人們已經列出了三代。

你或許很快就會提出一些問題：

·這些粒子為什么是一列一列出現的？

·這些粒子是用來做什么的？

·這些粒子的質量有什么規律？

·那些1/3電荷的粒子是用來做什么的？

·還有別的粒子嗎？

你自然會提出這些問題。謎團會讓一部分人感到害怕，所以保持放松的心態很重要的。記住，我們的策略是把已知的知識組織起來，尋找其中的規律和缺失，從而提出問題。提出好的問題可以幫助我們得到更深刻的答案。

幾十年之前，這張基本粒子表更加不完整。有幾種夸克和輕子還沒有被發現。不過，物理學家注意到了表中的規律，于是通過這種規律找到了缺失的粒子。很多年前，物理學家就知道應該有第六種夸克存在，因為表中為這種粒子留下了一個空缺的位置。雖然還沒有找到它，但人們已經如此確信它是存在的，很多的教科書都包含了這個知識點，還預測了第六種夸克的質量。20年后，上夸克終于被發現了，它的質量比人們預測的要大很多。這也是人們花了這么長的時間尋找它的原因，這意味著很多教科書必須修改。

物理學家填補了這張重要的表格并且研究了其中的規律。在過去的幾十年當中，我們得到了某些答案，也提出了更多的問題。