叫三聲夸克

有一種禮品盒，看上去只是一個(gè)盒子，看不出里面是空的，還是裝了什么東西。打開(kāi)來(lái)看看，里面仍然是一個(gè)盒子。好奇心驅(qū)使，再打開(kāi)這個(gè)盒子，里面又是一個(gè)盒子……總之，盒子里裝盒子，不知道盒子里面是什么。

物理學(xué)家在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，也遇到了一個(gè)類(lèi)似的問(wèn)題：最里面是什么？

世界上的物質(zhì)千千萬(wàn)，石頭、鐵、空氣、水……形態(tài)不同，性質(zhì)各異，但有一點(diǎn)是相同的，最小單位都是原子。鐵的最小單位是鐵原子，氫的最小單位是氫原子；水的最小單位是水分子，不過(guò)，水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的。

世界上的物質(zhì)千千萬(wàn)，分到最小的單位，分到原子這一步就算到頭了。自古以來(lái)都認(rèn)為原子是不可再分的了。

到了19世紀(jì)末，X射線的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)人們思考，是不是盒子里還有一個(gè)盒子？果然，進(jìn)入20世紀(jì)以后，人們發(fā)現(xiàn)原子不是最小單位，在原子的內(nèi)部，外圍是電子，中心是原子核。原子的質(zhì)量幾乎全部集中在原子核。原子核本身卻十分微小，大約10萬(wàn)個(gè)原子核排成一條直線才相當(dāng)于一個(gè)原子的直徑。

好奇心驅(qū)使科學(xué)家進(jìn)一步研究原子核的結(jié)構(gòu)，知道了原子核是由質(zhì)子和中子組成的。人們產(chǎn)生了一個(gè)新的看法：原子是由電子、質(zhì)子和中子等基本粒子構(gòu)成的。把這些粒子叫作“基本粒子”，好像是在說(shuō)原子這個(gè)盒子里也就是這些東西了。

可是，后來(lái)科學(xué)家在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子，在實(shí)驗(yàn)室里，在加速器中發(fā)現(xiàn)了更多的粒子，基本粒子的數(shù)量猛增到300多種，新報(bào)道也有說(shuō)達(dá)到了700多種。

物理學(xué)家分別為這些微小的粒子取了名字：光子、介子、中微子以及用字母命名的K介子、什么什么子……還測(cè)定了它們的質(zhì)量是多少，帶有什么樣的電荷，如何自旋（左旋還是右旋），壽命多長(zhǎng)，就像調(diào)查戶(hù)口似的，記入了檔案，再加以分析。

經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基本粒子是不穩(wěn)定的，壽命很短，很容易轉(zhuǎn)化為其他基本粒子。這些基本粒子的質(zhì)量大小差別卻很大，于是，可以根據(jù)質(zhì)量的大小分類(lèi)。這里只簡(jiǎn)單地介紹另一種分類(lèi)方法，它把基本粒子分為兩類(lèi)，一類(lèi)是輕子，另一類(lèi)是強(qiáng)子。

電子和中微子屬于輕子，輕子的數(shù)量比較少；絕大多數(shù)的基本粒子都屬于強(qiáng)子，其中包括質(zhì)子和中子。面對(duì)數(shù)量如此之多的強(qiáng)子，科學(xué)家們又在思考了：還有比質(zhì)子和中子更小的結(jié)構(gòu)嗎？

這又是一個(gè)“盒子里還有盒子嗎”這一類(lèi)的問(wèn)題，科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)感覺(jué)到，強(qiáng)子內(nèi)部有結(jié)構(gòu)。這好比拿起盒子搖一搖，聽(tīng)到了里頭有響動(dòng)的聲音，初步可以判定盒子里有東西。

這時(shí)候，科學(xué)家也只有發(fā)揮想象力了。美國(guó)科學(xué)家蓋耳曼提出了一個(gè)“夸克模型”，說(shuō)是所有的強(qiáng)子都是由三種夸克構(gòu)成的。

夸克是譯音，意思是海鳥(niǎo)的叫聲。因?yàn)樵陂L(zhǎng)詩(shī)《芬尼根之覺(jué)醒》中有一句話：“向麥克老人三呼夸克。”蓋耳曼把夸克借用過(guò)來(lái)，無(wú)非是一語(yǔ)雙關(guān)，說(shuō)明每一個(gè)強(qiáng)子都有三種夸克。

想象固然浪漫，蓋耳曼提出夸克模型卻是經(jīng)過(guò)理論分析，而且分析得很有道理。慢慢地蓋耳曼的理論被大多數(shù)人接受了，這等于承認(rèn)了盒子里有東西。

知道了有夸克這種物質(zhì)，那就得把它找出來(lái)。要把想象中的夸克變成真實(shí)的夸克并不容易，找了20年，也沒(méi)發(fā)現(xiàn)夸克的蹤跡。人們有點(diǎn)泄氣了。沒(méi)想到1976年，旅美華裔科學(xué)家丁肇中發(fā)現(xiàn)了J粒子。J粒子的J與中文的丁字非常相似，這也是給新粒子命名的妙處。新粒子的發(fā)現(xiàn)，引起種種猜測(cè)，J粒子是不是第四種夸克？這發(fā)現(xiàn)，又喚起了科學(xué)家尋找夸克的熱情。

1976年前后，科學(xué)家對(duì)夸克又有了新的認(rèn)識(shí)，說(shuō)夸克不止三種，還有第四、第五、第六種，理論更深入、更復(fù)雜。

這時(shí)又有了一種說(shuō)法，為什么夸克不能脫離其他粒子而獨(dú)立存在呢？這真是怪事，仿佛是士兵犯了錯(cuò)誤被關(guān)禁閉而失去了自由，難道就沒(méi)有一個(gè)自由夸克嗎？

還有人說(shuō)，物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)也許就到此為止了。盒子里裝盒子，發(fā)現(xiàn)的盒子已不少了，按順序是原子一原子核一強(qiáng)子一夸克。

在研究夸克的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)夸克與“3”這個(gè)數(shù)字特別有緣，三呼夸克，三種夸克；夸克的種類(lèi)多了以后，夸克又可以分成三個(gè)組，人們把這種組叫作“代”，也就是夸克有三代。

可是，夸克的第三代里還缺一個(gè)夸克，它叫頂夸克。1994年4月6日，在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室終于發(fā)現(xiàn)了頂夸克的存在。

在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，有一個(gè)加速器，地下的環(huán)形隧道長(zhǎng)達(dá)6.4千米。在長(zhǎng)達(dá)8年的時(shí)間里，先后有900名科學(xué)家在這里工作，終于找到了頂夸克。

這一發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了夸克是存在的，證實(shí)了頂夸克是第三代。

新的發(fā)現(xiàn)，帶來(lái)了新的希望，也帶來(lái)了新的問(wèn)題：為什么只證實(shí)了頂夸克的存在？

“3”字有什么意義？

而最基本的問(wèn)題仍然是：物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)就是夸克嗎？盒子里還有盒子嗎？