宇宙中的基本粒子

一、什么是基本粒子

基本粒子是目前已知的組成物質的最小單位，但是科學家們已經意識到，基本粒子也可能并不是單一的粒子，結構也很復雜。和組成物質的原子與分子相比，基本粒子的尺寸要小得多，以至于即便使用放大倍數最高的電子顯微鏡也無法觀察到。其中質子和中子只有原子體積的十萬分之一，輕子和夸克則更小，只有質子的萬分之一。按照作用力的不同，可以將這些粒子分為三類，分別是強子、輕子和傳播子。

所謂強子，就是對參與強力作用的所有粒子的統稱。強子是由夸克組成的。2007年，科學家們在美國的費米實驗室發現了預言中的頂夸克。目前發現的所有基本粒子中，絕大多數都是強子。還有一些反物質基本粒子如反夸克已經被發現了，目前還在研究如何對它們加以利用。

輕子，顧名思義，只能參與弱相互作用、電磁力和引力作用。輕子可以被分為六大類，包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。其中，電子、μ子和τ子帶有電荷，而全部中微子都不帶電荷。1975年，科學家們發現了無法參與強相互作用的τ子。這種粒子雖然屬于輕子，但是具有很大的質量，它比電子重3600倍，比質子重1.8倍，所以又被稱為重輕子。

基本粒子中還有一種是傳播子。其中，傳遞強作用的被稱作膠子。膠子是于1979年在三噴注現象中間接被發現的。因為它們能夠形成一個膠子球，在色禁閉現象中不能被直接觀測到。傳遞弱作用的傳播子是重矢量的玻色子，其中包括W+, W-和Z0。它們的質量很大，為質子的80～90倍。

這些粒子的另一種重要的量是它們的質量。粒子物理的規范理論認為，規范粒子的質量應該為零。但是在某種條件下，規范被破壞了，這就讓輕子、夸克和玻色子等粒子具有了質量。目前我們發現的基本粒子質量范圍分布很廣。其中，光子和膠子的質量為零，電子的質量很小，π介子的質量是電子的280倍。質子和中子的質量更大，相當于電子的2000倍。科學家們已經找到了六種夸克，根據質量的不同分為下夸克至頂夸克，其中頂夸克是人類目前發現的質量最大的粒子。與之相對的，中微子具有很小的質量，只有電子質量的七萬分之一，十分接近于零。

粒子第三個重要的特征量是它們的壽命。所有粒子中，因為電子、質子和中微子十分穩定，所以被稱為長壽粒子。但是絕大部分粒子并不穩定，會產生衰變。中子在衰變時會轉變為一個質子、一個電子和一個中微子。π介子在衰變中會生成一個μ子和一個中微子。粒子的壽命被稱為半衰期，指的是強度達到最初的一半的時間。目前已知最為穩定的粒子是質子，它的半衰期長達1033年。

粒子的另一個特性是對稱性。如果存在一種粒子，就必定存在它的反粒子。科學家們于1932年發現了正電子，這種粒子與電子的質量和性質完全相同，但是帶正電。接下來，科學家們又發現了反質子，它的質量與質子完全相同，但是帶有負電荷。之后相繼發現了反夸克和反輕子等反物質粒子。一種粒子和它的反粒子相遇時會發生湮滅，變為光子并且釋放出能量。反過來，當兩個高能粒子發生碰撞時，會生成一對粒子與反粒子，這時能量轉化為質量。

粒子還具有自旋的屬性。如果粒子的自旋是一個整數，它就是玻色子；如果是半整數，則被稱為費米子。同時根據波粒二象性理論，粒子也同時具有粒子性與波動性。

描述基本粒子的結構和相互作用以及運動規律的理論就是量子場論。在量子場論中，每種基本粒子都有一種相應的量子場。這些量子場之間的耦合作用就是粒子相互作用的體現，這些相互作用直接的傳遞是通過規范場量子進行的。

從20世紀30年代至今，通過大量的實驗，基本粒子理論得到了長足的發展。科學家們對粒子結構的研究已經到達了一個很深的層次，并且認為強子由層子與反層子組成。同時還深入認識了真空環境，尤其是真空的自發破缺。粒子的相互作用研究發展成了能夠描述電磁相互作用的量子電動力學，出現了弱電統一理論，用來解釋粒子之間的弱相互作用和電磁作用。還有量子色動力學，能夠用來解釋粒子間的強相互作用。這些理論都屬于量子規范場理論，而且大部分都被實驗結果證實了，所以能夠讓人們更好地了解粒子間相互作用的規律。

對基本粒子的研究理論目前仍然處于發展中，在很多方面還沒有取得令人滿意的結果。在這一理論中，還有兩個哲學問題需要人們解決。一個是層次結構問題，另一個是相互作用的統一問題。物質的結構為原子層次時，能夠把原子分為原子核和電子。原子的結構為原子核層次時，能夠再把原子核分為質子和中子。但是到了基本粒子的層次，這種情況發生了改變。因為對于強子來說，它雖然由層子和反層子組成，但是卻無法將層子和反層子從強子內部分離出來。因為層子是帶色的，所以這種情況被稱為色禁閉。所以在基本粒子這個層次上，物質可分不再是原來的概念，可分不代表能夠將各個組成部分單獨分割開來。層子和反層子雖然是強子的組成部分，但是卻無法從強子中被分割出來。人們直到現在還沒有搞清楚出現色禁閉現象的真正原因。到20世紀80年代，科學家們已經發現了36種層子和反層子，以及12種輕子和反輕子。同時還發現了很多在粒子間相互傳導的規范場粒子和Higgs粒子。科學家們開始試圖研究這些粒子的基本結構，并且提出了很多理論模型。但是到目前為止，雖然存在很多相差甚遠的模型，但是尚未通過實驗來證實究竟哪個模型才是正確的。

當人們統一了弱電理論之后，又繼續尋求在強作用、弱作用和電磁作用之間實現統一，并且建立很多統一的模型理論。在這些理論中，科學家們認為質子雖然極其穩定，但是最終也會衰變，但是這一點目前還未通過實驗得到證實。如果我們探索力的統一理論，一個最無法忽視的力就是引力。但是引力與強弱作用力和電磁作用力之間存在很大的區別，因為引力和時間、空間有直接的聯系，引力之間的傳遞通過引力子進行，引力子與其他作用力的傳遞粒子的自旋不同，具有一個有量綱的耦合常數，因此會無窮散發，而無法重整化。同時，因為愛因斯坦提出的引力方程具有非線性性質，這就使得引力理論的量子化和重整化充滿困難。因此現在只能初步認為，引力場是一種規范場，也就是說，引力與強作用力、弱作用力和電磁作用力理論上是能夠統一的。但是因為這個問題仍然十分復雜，因此人們還沒有掌握影響大統一理論的關鍵因素。

二、最微小的基本粒子

在自然界中到底有沒有一種最基本的粒子，是組成其他粒子的最小單位呢？對電子來說，它有兩種電荷和自旋狀態，可能的存在狀態有22種。如果想知道一個電子是哪種電子，要使用2個二進制數，所以每個單獨的電子含有2bit信息。對光子來說，它的自旋有兩個方向，一個是平行于物質的運動方向的，一個是反平行于物質運動方向的，因此具有21個可能存在的態，每個單獨的光子包含1bit的信息。如果一個孤立系統完全由光子組成，并且內部的左旋光子和右旋光子數量相等且混合均勻，那么這個系統含有0bit信息。在基本粒子中，一個粒子包含的最少信息應為1bit，因為不確定性原理的制約，所以在基本粒子中具有最小信息量的粒子是光子。

在一個孤立的不可逆體系中，分為無限多個和外界無作用的平衡系統。因為熵和質量的增加，我們能夠推測出，這個孤立的不可逆體系在經過足夠長的時間之后，系統內的熵將會達到最大值，此時系統的信息達到最小值。根據不確定性原理，我們能夠在系統的最深層次找到具有最小信息容量的微觀信息。在這個處于最深層的結構中，系統的信息為0時，這個系統的單子粒子必將存在一個含有最小信息的基本粒子。

在物理學發展到18世紀時，在很多理論中光都被解釋成由無數粒子組成的一種物質。因為這種理論無法解釋光的折射和衍射等實驗現象，包括笛卡爾、胡克和惠更斯等科學家都提出了光具有波動性的觀點。但是在當時，牛頓的思想仍然具有絕對的統治力，因此關于光的主要理論仍然認為光是一種微粒。到了19世紀初期，托馬斯·楊和菲涅爾通過實驗清楚地表明光的衍射特性，因此到1850年前后，物理學家已經接受了光的波動理論。1865年，麥克斯韋提出一種預言，認為光是某種形式的電磁波，并且于1888年完成了證明電磁波存在的實驗。這時，光的粒子說看起來被徹底否定了。

但是，麥克斯韋提出的光是一種電磁波的理論也無法解釋光具有的一切性質。比如，在電磁理論中，光波具有的能量與頻率無關，只和波場的光強度有關。但是后來進行的很多實驗，包括光電效應實驗都表明，光的能量與強度無關，而是和頻率密切相關。還有一些光化學實驗證明，只有在光的頻率超過某個值時才會發生光化學反應，但是在這個閾值之下，單純提高光照強度毫無作用。

同時，因為普朗克提出的量子理論的假說，使得之前的物理學家們在長達40年的時間里進行黑體輻射方面的研究無疾而終。普朗克認為，在所有的系統中，如果發射或吸收的電磁波的頻率為v，那么電磁波具有的能量都是E=hv（能量=普朗克常數×頻率）的整數倍。根據這一理論，愛因斯坦提出了光量子假說。愛因斯坦于1905年到1917年之間提出了光子的概念。在那個時期的經典電磁理論中，光被認為是一種電磁波，但是這個理論無法解釋實驗中出現的光電效應現象。當時提出了其他一切理論，根據麥克斯韋方程將物質吸收和放射光的能量量子化了。愛因斯坦提出了另外一種理論，那就是光本身為量子化，組成光的量子就是光子。

麥克斯韋提出的經典電磁理論認為，電磁場具有連續能量，而且能量的值為任意大小，但是由于物質在發射或吸收電磁波時，為量子化能量，所以很多科學家都在試圖找到物質中存在的某種約束，這種約束使得電磁波的能量只能是量子化的。但是愛因斯坦的光量子理論的先進之處在于，他認為電磁場中的能量本身就是量子化的。愛因斯坦沒有否定麥克斯韋提出的理論，但是他認為，如果能夠把麥克斯韋的經典電磁場中的能量分配到彼此獨立的光量子上，那么就能很好地解釋光電效應實驗的現象。

1905年，在普朗克的量子理論基礎上，愛因斯坦進一步提出，電磁輻射的本質就是不連續的，不管是在能量的發射和接收時，還是在傳播過程中都是如此。這種一份一份的輻射被愛因斯坦稱為光量子，這就是光子。光子理論能夠解釋光電效應，愛因斯坦因此獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。在1909年和1916年，愛因斯坦指出如果普朗克的黑體輻射定律成立，則電磁波的量子必須具有p=h/λ（動量=普朗克常數/波長）的動量，這使得光子具有了完美的粒子性。到了1926年，康普頓在實驗中測得了光子的動量，并因此獲得1927年的諾貝爾物理學獎。光子不但在能量的發射和吸收時具有粒子性，在發生彈性碰撞時也是如此，因此光子既有能量又有動量。這樣一來，光同時具有粒子性和波動性，也就是具有波粒二象性。之后，德布羅意又深入發展了這種理論，認為所有微觀粒子都具有波粒二象性。

這個理論的出現使理論物理學獲得了長足的發展，也為實驗帶來了有益的啟發。在該理論的指導下，科學家們發現了激光、玻色-愛因斯坦凝聚和量子場論，發展了量子光學和量子計算。按照粒子物理的理論模型，電場和磁場都是因為光子的作用而產生的。物理學定律具有一種對稱性，這種對稱性在時空中的任意點上成立，而光子滿足這種特性。同時，根據規范場理論，能夠得出光子的質量和自旋。

光子既是電磁場中的量子，能夠在電磁作用的傳播中作為媒介。當原子內部的電子進行能級躍遷時，如果向上躍遷，將會吸收與能級差相等的光子，反之將釋放等量的光子。一個粒子與它的反粒子碰撞時將發生湮滅，產生幾個光子。光子本身不具有電荷，因此它的反粒子也是它本身。光子的靜止質量為0，運動速度為光速，并且不以觀察者的運動狀態為轉移。光子保持光速不變的特性，成了狹義相對論理論的一個基本原理。

因為光子和其他基本粒子一樣，具有波粒二象性，因此能夠表現出波的性質，如干涉現象和衍射現象等。光具有的粒子性屬性能夠具體表現為：在與物質發生相互作用時，無法傳遞任意值的能量，只能進行量子化的能量傳遞。對我們日常所見的可見光來說，每個光子具有的能量約為4×10-19焦耳。這個能量雖然十分微小，但是已經能夠刺激人眼中的感光細胞，并且引發視覺。除了具有能量，光子還有動量。不過因為受到量子力學定律的限制，我們無法計算光子的確定動量，我們只能在測算光子的位置或者動量時，得到它的對應本征值的概率。

即便當今最為先進的科學儀器和巨大的望遠鏡，想要發現光子，仍然是一件十分不容易的事。除了物理學領域，光子理論還在其他領域發揮著重要的作用，比如光化學和雙光子激發顯微技術。光子理論還有助于對分子的間距進行測量。在現代實驗研究中，光子作為量子計算機的基本元素，在光通信領域和量子密碼理論中為科學家們提供了巨大的研究價值。