我們看到的宏觀物體形式多樣、五光十色，它們都是由各種分子和原子組成的。各種不同元素的原子又都由質子、中子和電子組成。但是人類對基本粒子的探索并未停止，從理論推斷到實驗檢驗，人們發現了大量微觀粒子。經過仔細分類研究，目前還沒有發現具有內部結構的基本粒子共有62種。
17.1 物質的鏡像：反物質
1927年，只有25歲的狄拉克意識到，質量極小的電子是極易加速到接近光速的，對這種高速電子的完整描述應該考慮將相對論方程和量子力學方程結合起來。于是他把狹義相對論引進薛定諤方程，創立了相對論性質的波動方程——狄拉克方程。
狄拉克。圖片來自網絡
我們都知道，最簡單的二次方程x^2=A有兩個解，一個是x=根號A，另一個是x=負根號A。同樣，電子的相對論性方程中出現了能量的平方E2，這樣求解電子能量E時就會得出兩個解：一個正的，一個負的。
狄拉克并沒有想當然地把負能量當作不合理的結果舍去，他承認了負能量的存在。要知道，負能量是一個很奇怪的東西。假如說一輛汽車具有負能量，那么踩剎車反而會讓它加速，而踩油門卻會讓它慢下來！
當時的物理學家們都對負能量持懷疑態度，海森堡稱這是“現代物理學中最悲哀的一章”。
面對質疑，狄拉克并沒有放棄，經過仔細思考，他提出了一個大膽的假設。他指出：
“以往人們把真空想像成一無所有的空間。現在看來，我們必須用一種新的真空觀念來取代舊觀念。在這種新理論中，需要把真空描寫為具有最低能量的一個空間區域，這就要求整個負能區都被電子占據著。”
按狄拉克的觀點，真空中有無窮多個被電子填滿的負能量位置，真空就像是由負能量電子組成的汪洋大海（后來人們稱為“狄拉克之海”）。
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可是在我們的世界中所有這些位置都被電子填滿了，負能量位置被均勻地填滿對我們來說是完全察覺不到的，因此檢測不到任何負能量。可是，如果一個負能量的電子被擾動，電子從負能級上被激發出來，留下的位置就變為一個“空穴”，這樣，一個空穴會表現為負能量不足和負電荷不足。負能量不足就表現為正能量，負電荷的不足就表現為正電荷。
1931 年，狄拉克提出：
“一個空穴，如果存在的話，就是一種實驗物理還不知道的新粒子，它與電子的質量相同而所帶的電荷相反。我們可以稱這樣的粒子為正電子。”
正電子就是反電子，狄拉克這一觀點宣告了反粒子觀念的誕生。
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狄拉克不光提出反電子的概念，他還大膽地把反粒子的概念擴展到其他粒子。他指出：
“我認為負質子也可能存在，雖然該理論還沒有那么明確，但在正負電荷之間應該有種徹底而完美的對稱性。而且，如果這在自然界是一種真正基本的對稱性，那么任何一種粒子的電荷應該都有可能反過來。”
狄拉克并沒有等太久就等到了他的正電子。
當時已經發明了云室，在云室里人們可以記錄下單個原子和粒子的軌跡。1932 年，美國物理學家卡爾·安德森使用云室從宇宙射線中發現了電子的反粒子——正電子。
原子劇烈碰撞而產生的電子?正電子對在云室中留下的軌跡，它們在磁場中的軌跡剛好相反。在粒子反應中如果有足夠的能量使動量守恒并轉化為質量，就能成對產生正反粒子對。
圖17-1 電子- 正電子對在云室中留下的軌跡
正電子的發現引發了科學家們新的探索之旅。1955 年，反質子在美國的一家實驗室中被發現，其后人們又發現了反中子。到20 世紀60 年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。
狄拉克獲得了1933 年的諾貝爾物理學獎。按照慣例，在斯德哥爾摩瑞典皇家學院接受諾貝爾獎時，獲獎人應做一個簡短的演講。狄拉克在接受他的獎金時說：
“地球中所包含的負電子和正質子占多數，我們更應該把這看作是一種偶然現象。對其他星球很可能是另一番情景，那些星球有可能主要是由正電子和負質子構成的。實際上，有可能存在每種方式各構成一半的星球……而且可能沒辦法區分它們。”
現在我們知道，對每一個粒子而言，都存在著與其具有相同的引力性質，但帶著相反符號荷（電荷與核力荷）的反粒子。粒子和反粒子碰撞在一起，就湮滅而產生純粹的能量閃光。
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反物質是反粒子概念的延伸，反物質是由反粒子構成的物質。反物質是物質的“鏡像”形式。
1995 年，歐洲核子研究中心的科學家在世界上制成了第一批反物質——反氫原子。科學家利用加速器，將速度極高的負質子流射向氙原子核，以制造反氫原子。由于負質子與氙原子核相撞后會產生正電子，
剛誕生的一個正電子如果恰好與負質子流中的另外一個負質子結合就會形成一個反氫原子，其平均壽命僅為30ns（一億分之三秒）。2011 年，歐洲核子研究中心的科研人員宣布已成功抓取反氫原子超過16min。同年，在位于紐約長島的美國布魯克海文國家實驗室，來自多個國家的科學家們合作制造出了迄今最重的反物質——反氦原子。
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1997 年，美國天文學家宣布，他們利用先進的γ 射線探測衛星發現在銀河系上方約3500 光年處有一個不斷噴射反物質的反物質源，它噴射出的反物質在宇宙中形成了一個高達2940 光年的“噴泉”。這是宇宙反物質研究領域的一個重大突破。現在人們最想知道的就是，宇宙中真的存在反物質星球嗎？
17.2 宇宙隱形人：中微子
1899 年，盧瑟福發現β 衰變現象，它涉及的是原子核中的一個中子轉化成一個質子，并伴隨著一個高速電子的釋放。
中微子的發現來自對β 衰變的研究。人們發現，物質在β 衰變過程中釋放出的電子只帶走了它應該帶走的能量的一部分，還有一部分能量失蹤了。玻爾據此認為，β 衰變過程中能量守恒定律失效。
能量守恒定律失效這個說法太過牽強。1930 年，奧地利物理學家泡利提出了一個假說，他認為在β 衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現了能量虧損。這種粒子與物質的相互作用極弱，以至儀器很難探測到。1931 年，泡利提出，這種粒子并非原本就存在于原子核中，而是由衰變產生的。
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泡利預言的這個竊走能量的“小偷”被意大利物理學家費米命名為“中微子”，意為“微小的中性粒子”。1934 年，費米在中微子理論研究中做出了重大貢獻，他的創舉在于將β 衰變歸結于粒子的產生和湮滅。該理論直接為量子物理帶來了一個至今仍占中心地位的重要思想：微觀世界中的相互作用都是通過產生和湮滅粒子發生的。
中微子個頭小，不帶電，只參與非常微弱的弱相互作用，具有極強的穿透力，能輕松穿透地球，就像宇宙間的“隱形人”。地球上每平方厘米每秒有600 億~1200 億個中微子穿過，但是在100 億個中微子中才有一個會與物質發生反應，因此中微子的檢測非常困難。直到1956 年中微子才被觀測到，證明了它的存在。
對中微子的研究表明，中微子具有質量，但其質量非常非常小，以至于人們目前還測不出準確數字，只能給出一個質量上限值。
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關于中微子曾有一個轟動世界的新聞。2011 年9 月，意大利格蘭薩索國家實驗室公布“中微子運動速度超光速”的試驗結果，引起世界震動。不過在2012 年6 月8 日，該實驗室宣布撤銷此項試驗結果，原來是因為試驗裝置存在光纜連接問題而導致測量誤差。真是虛驚一場。
17.3 世界的基石：夸克
1930 年以后，科學家們開始制造粒子加速器（圖17-2）。加速器是用電磁場把帶電粒子加速到高能高速的裝置，它是探測微觀粒子的有力武器。在這里，帶電粒子被加速到極高的速度，然后與其他粒子或其他物體發生劇烈的碰撞，連原子核都能被撞個粉碎，于是最基本的粒子都被撞了出來。
圖17-2 歐洲核子研究中心的大型強子對撞機周長26.66km，是世界上最大的粒子加速器
加速器可以是直線形的，也可以是環形的。在環形的加速器里，專門有磁場將粒子逼到環形軌道上去。隨著加速器能量的不斷提高，人類對微觀物質世界的認識也逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。
質子和中子因為存在強相互作用才能結合成穩定的原子核，人們把150可以直接參與強相互作用的粒子稱為“強子”。在加速器的作用下，人們竟找到了200 多種強子，如果再加上它們的反粒子，就有400 多種。這實在是太多了，人們不禁懷疑，自然界用得著這么多基本粒子嗎？ 1964年，美國科學家蓋爾曼提出強子不是基本粒子，而是由更基本的粒子——夸克組成的觀點，并發展了相關的理論（注：夸克這一名字是蓋爾曼起的，他從詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根徹夜祭》中找到一句話：“Three quarks for Muster Mark!”于是，“quark”這個與科學沒有任何關系的詞就成了現代科學中最時髦的一個詞）。
夸克的思想是吸引人的，可一些物理學家最初并不愿意接受它，他們認為夸克“結構”只是一種數學技巧。但在實驗面前，他們不得不承認蓋爾曼是對的。質子和中子的高速碰撞實驗表明，它們都是由更小的粒子構成的，這些粒子就是夸克。因為對夸克的研究，蓋爾曼獲得1969年的諾貝爾獎。
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夸克和電子的體積是最困擾我的一個問題。華裔諾貝爾獎得主、粒子物理學家丁肇中在演講中多次提到，從理論上來講，夸克和電子都是點粒子，其直徑或體積應該為零。他在實驗中測出電子直徑至少是小于10?19m 的，但是我的頭腦中實在無法想象體積為零的粒子是一個什么圖像。也許只能這么理解：既然它們沒有內部結構，那就應該沒有體積（不過超弦理論已經打破了這種點粒子的觀點，以后章節將會詳述）。
宇宙中存在有6 種不同類型的夸克，我們分別將之稱為上、下、奇、粲、底、頂夸克。每種夸克都帶有3 種“色荷”——紅、綠、藍。當然，所謂這些顏色僅僅只是借用紅、綠、藍這三個詞而已，并非夸克真的有顏色。色荷可以和電荷類比，就像電荷有正、負兩種類型一樣，色荷有紅、綠、藍三種類型。由于夸克有6 種類型，每種類型有3 種“顏色”，所以共有18 種夸克。
夸克的色荷在強相互作用中守恒，因此，色荷是強力的源。兩個夸克之間通過交換“膠子”而發生強相互作用。
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由三個夸克組合成的粒子稱為“重子”，質子和中子就是重子。每個重子都是由3 個夸克組成，同時每一個夸克都各具有一種顏色。當三個夸克組合在一起時，紅、綠、藍相互抵消，變成“無色”，色荷守恒，于是他們就結合在一起了。
由一個夸克和一個反夸克組成的粒子叫“介子”。比如紅色夸克和反紅色夸克結合，紅色和反紅色相互抵消，也變成“無色”的介子。重子和介子一起被合稱為強子。
夸克的電荷是分數。上、粲及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+2?3，而下、奇及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的則為?1?3。
一個質子里包含有兩個上夸克和一個下夸克（見圖17-3（a）），而一個中子里則是包含著兩個下夸克和一個上夸克（見圖17-3（b））。所以質子的電荷為+1，而中子的電荷為0。
圖17-3 一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克，一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克
17.4 世界的基石：輕子
輕子是對電子和它的兩個伙伴，以及它們對應的中微子的總稱。包括電子、μ 子、τ 子以及電子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子等6 種基本粒子，加上它們的反粒子，共計12 種輕子。輕子都是基本粒子，沒有內部結構。
前文已經提到過，英國物理學家湯姆遜在1897 年發現了電子，并確定電子是一種基本粒子。
1937 年，人們在研究宇宙射線時發現了μ 子。可以說μ 子就是一個胖電子，它的質量是電子的207 倍，其他性質則和電子相同。在穿過地球的宇宙射線中有大量的μ 子，此時此刻就不斷地有μ 子從我們的身體中穿過。μ 子的壽命很短，它很快就會衰變成一個μ 子中微子、一個電子和一個反電子中微子。
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1976 年，物理學家們又發現了一個更胖的“電子”，它的質量是電子的3479 倍，其他性質則和電子相同，這個粒子被命名為τ 子。τ 子雖然屬于輕子，但它的質量并不輕，它的質量已經達到了質子的1.9 倍。τ 子也會迅速衰變，它有三種可能衰變的途徑：64.8% 的概率會衰變成τ 子中微子和反π 介子；17.84% 的概率會衰變成τ 子中微子、電子和電子中微子；17.36% 的概率會衰變成 τ 子中微子、μ 子和μ 子中微子。
17.5 四種基本力和力的傳遞粒子
通常把物體之間的相互作用稱為力。物理學家們發現，自然界中所有的相互作用都可以歸結為四種基本力的組合，這四種基本作用力是：引力、電磁力、強力和弱力。
1. 引力
引力就是大家常說的萬有引力，有質量或者能量的任何物體都會感受到引力。引力對我們來講是非常重要的，它不但讓我們能牢固地腳踏大地，而且還維持著地球繞著太陽轉。與其他三種力相比，引力非常非常弱，要小三十多個數量級。物體質量有多大，決定了它能產生多強的引力以及對引力有多大的反應。所以小質量物體間的引力小到可以忽略不計，這就是為什么兩個人之間感受不到對方引力的原因。好在地球和太陽的質量足夠大，所以地球能被太陽牢牢地吸引住。
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有趣的是，實驗證明引力是以光速傳播的。假如太陽突然消失了，地球并不會馬上陷入災難，它還會照樣公轉，直到大約8min 后地球才會感受到太陽引力的消失，那時才會出現災難。
計算引力的公式大家都熟悉，就是牛頓的萬有引力定律：
式中，F 是兩個物體之間的引力，G 是萬有引力常量，m1 和m2 是兩個物體的質量，r 是兩個物體之間的距離。
2. 電磁力
帶電荷的粒子會相互吸引或者相互排斥，這種力就叫電磁力。電荷間同性相斥、異性相吸。就像質量一樣，電荷也是粒子的基本性質。原子中電子帶負電荷，質子帶正電荷，大小都為e（e=1.6×10?19 庫侖）。因為正、負電荷相互抵消，所以原子是電中性的。雖然夸克具有分數電荷，但夸克不能被單獨探測到，所以e 是電荷的基本單位。
電磁力比引力強得多，兩個電子之間的電磁力比引力大36 個數量級。好在我們常見的物體都是電中性的，所以不會產生強大的吸引力或排斥力。
電磁力的計算公式是庫侖定律：
式中，F 是兩個物體之間的電磁力，K 是庫侖常數，q1 和q2 是兩個物體所帶的電量，r 是兩個物體之間的距離。
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你肯定會問，這是一本科普書籍，有必要羅列這些公式嗎？但是，如果你仔細對比一下萬有引力定律和庫侖定律這兩個公式，你就會發現一個有趣的現象。是什么呢？
對，這兩個公式在形式上竟是如此接近，這真的只是一種巧合嗎？還是有更深層次的東西在里面？
3. 弱力
弱力會導致原子核的β 衰變（質子和中子間的一種轉變），帶來放射性。
4. 強力
強力將夸克“膠結”在質子和中子內，又把質子和中子緊緊束縛在一起形成原子核。
大家對強力和弱力比較陌生，是因為它們是作用在原子核尺度范圍內的力，超過原子核尺度以外就完全失去作用了。強力是四種力里強度最大的力，比電磁力強100 倍。擠在原子核里的質子因電磁作用而相互排斥，多虧了強力才把它們緊緊束縛在一起。
物體之間產生的各種力都不是憑空就能相互作用的，而要靠一定的粒子來進行力的傳遞。
強力的傳遞粒子是膠子。膠子共有8 種，靜止質量為零，電荷為零，具有色荷。
弱力的傳遞粒子是W 粒子和Z 粒子。W 粒子有兩種，質量相同但分別帶一個正電荷和一個負電荷，記為W+ 和W?粒子。Z 粒子是一種電中性的粒子，記為Z0。
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引力的傳遞粒子是引力子。這是物理學家預言的，因為到現在還沒有找到引力子。如果能找到引力子，它應該是一個靜止質量為零，電荷為零的粒子。
電磁力的傳遞粒子就是光子。兩個帶電粒子之間的電磁力是通過互相交換光子而產生相互作用的。
在力的傳遞粒子中，光子、膠子、引力子靜止質量均為零，而W 粒子和Z 粒子卻有靜止質量，而且非常大。W 粒子的質量是電子的157400倍，Z 粒子的質量是電子的178450 倍。
表17-1 給出了四種基本作用力的性質對比。
17.6 上帝粒子：希格斯粒子
為什么有些基本粒子具有靜止質量，而有些基本粒子的靜止質量為零？英國物理學家彼得·希格斯提出的一種物理機制可以解釋這問題。
可以說，希格斯機制是宇宙中物質質量的來源，是物質世界誕生的基礎。按現有理論，所有粒子原本都是沒有質量的，是希格斯場賦予了它們質量。希格斯場是一種原本不可見的、遍及整個宇宙的能量場。如果沒有希格斯場，就無法生成質量，也無法構建任何東西，那么恒星、行星、生命就無從誕生了。
電磁力和弱力在宇宙起源之初的高能狀態下本來是一種統一的電弱力，W+、W?、Z0 和光子原本都沒有靜止質量，統一的電弱力具有比較高的對稱性。但是隨著能量的降低，這種對稱性自發破缺，統一的電弱力分解為電磁力和弱力。在這個過程中，W+、W?、Z0 等粒子與希格斯場作用獲得了質量，而光子未參與這種作用，靜質量仍為零。
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輕子、夸克等粒子原來質量也為零，它們也因為自發對稱性破缺而與希格斯場相互作用獲得質量，但它們獲得質量的方式不同于W 和Z粒子。
總之，根據希格斯機制，W 粒子、Z 粒子、輕子、夸克等基本粒子因為與希格斯場彼此相互作用而獲得質量，但同時也會出現副產品——希格斯粒子。假若實驗證實希格斯粒子存在，則可給予希格斯機制極大的肯定。光子和膠子不和希格斯場發生相互作用，所以它們沒有質量。
有一個形象的比喻，希格斯場就像一鍋充滿宇宙的糖漿，粒子就是在糖漿里游的魚，有的魚兒皮膚粗糙沾上了糖漿，于是獲得質量，速度也慢了下來；有的皮膚光滑沒有沾，所以就無質量。
美國著名粒子物理學家利昂·萊德曼曾寫過一本書，書名叫做《上帝粒子——假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》。萊德曼在書中形象地將希格斯粒子稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”，“上帝粒子”由此而成為希格斯粒子的綽號。
