尋找自由夸克

我們生活在一個物質世界，形形色色的物質充斥著我們的視線，但是僅僅憑借肉眼或者經驗，我們只能把握很小一部分的物質世界。以宏觀而論，宇宙中存在我們無法看到甚至難以想象的“宏大”物質：以微觀而論，我們身邊就有同樣既不可能看見也無法想象的“微小”物質。近代第一個站得住腳的物質結構理論，是1804年英國化學家道爾頓提出的“原子論”。這種理論認為，形態多樣、表現迥異的各種物質，是由某些極其微小、不可再分割的原子所組成的。道爾頓第一次以科學的名義把這一古老哲學思想肯定下來。1811年，意大利化學家阿伏伽德羅提出了“原子，分子學說”，補充了道爾頓的原子論。他認為原子是參加化學反應的最小粒子，分子是物質能獨立存在的最小粒子。可惜的是，這個理論竟然慘遭冷落達50年。1860年，意大利物理學家康尼查羅利用更加豐富的資料，再次清晰地闡述了原子．分子論，終于得到舉世公認。后來，這樣一種觀念幾乎牢不可破：物質是由分子組成，分子由原子組成，原子是不可分割的。

原子真的是不可分割的嗎?這同人們早就有的“無窮小”概念不符合。比如，中國古代就有一個物質可以無限分割的命題：“一尺之錘，日取其半，萬世不竭。”不過話說回來，要突破原子的界限，必須拿出可靠的實驗證據。19世紀后半葉，人們在研究真空放電管時，發現了一種陰極射線。這種陰極射線究竟是什么呢?當時人們的看法各種各樣，莫衷一是。在經過了近半個世紀的探索后，英國科學家湯姆遜最終確認：陰極射線其實是一種比原子小得多的粒子——電子。

電子的發現打破了原子不可分割的古老神話。既然有比原子更小的粒子，那么原子的結構就可以破解了。不久，人們通過實驗又發現，原子是由極其微小但又占據了原子絕大部分質量的“原子核”和繞原子核旋轉的“電子”所組成：原子的結構正像行星圍繞太陽旋轉的太陽系結構一樣。

下一步是分割原子核。進一步的實驗研究揭示，原子核是由更基本的兩種粒子——“質子”和“中子”所組成。與此同時，科學家又發現了與質子、中子、電子屬于同一層次的為數不多的幾個粒子。于是，一些物理學家認為，人類關于物質構成的探索，到此可謂“大功告成”。原來，物質就是由一個層次接一個層次的粒子構成的。物理學家們把這些粒子命名為“基本粒子”，把它們看作是組成物質世界的“基石”。然而，實驗研究的發展，再一次否定了物質分割有極限的思想。大量壽命極短的不穩定粒子的出現，促使人們去考慮：所謂的基本粒子是否是由更深一層次的粒子所構成的?

當時，人們把基本粒子分作兩類，一類是“輕子”(包括電子、中微子等)，另一類是占據基本粒子家族絕大多數的“強子”(包括質子、中子等)。后來的實驗既然發現強子仍然具有內部結構，那么順理成章地，所謂“基本粒子”也就不再“基本”。

1964年，美國科學家蓋爾曼等人提出“夸克模型”。他們認為，所有的強子都是由若干種叫做“夸克”的更深層次的粒子組成。西方人將這些粒子稱為“夸克”，中國人則常常又稱它們為“層子”。顧名思義，層子是相對電子、質子、中子這些基本粒子來說的，它屬于“下一層次的粒子”。蓋爾曼等人認為夸克帶“分數電荷”，它們被禁閉在強子內部，不能脫離強子自由運動。

夸克模型出現之后，又有人提出夸克是物質分割的極限。因為夸克被禁閉在強子內部，本身也無法直接觀察。然而，對大自然的好奇心，促使人們對夸克是否還有“內部結構”這個問題產生濃厚的興趣。目前的跡象表明，夸克和輕子可能是由某些更為基本的粒子所組成，夸克和輕子之間具有極大的對稱性。根據目前的理論，夸克可分為三代，每代有兩種(不計反夸克)，它們分別是(u，d)、(c，s)和(t，b)。輕子也有三代，每代也有兩種。如此多的粒子表明，即便夸克和輕子，也不可能是物質分割的“最小單元”。但是從1964年至今，人們還沒有“看到”過夸克的真實面目。在蓋爾曼提出的夸克理論中，他假設存在三種夸克。他用這三種夸克及它們的反粒子來說明微觀粒子構成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理學家至今還不能使夸克脫離其他微觀粒子而獨立存在，它只能像犯了錯誤而被關禁閉的士兵那樣，被幽禁在微觀粒子中。所以，“夸克禁閉”成了當今粒子物理學的難題之一，這對哲學中關于物質無限可分的觀點，也是一次嚴峻的挑戰。近半個世紀以來，物理學家為了尋找自由夸克，絞盡了腦汁。每當一臺新的高能加速器建成以后，首要的任務之一就是試圖找到夸克。有的物理學家把微觀粒子想成一只口袋，夸克永遠被裹在這只口袋里一一在這口袋的小范圍內，它可以自由飛翔，但決不許脫離這個口袋。就是這個神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永遠隔離開來。也有的物理學家把微觀設想成一口半徑很小又很深的“井”，夸克過的就是這種“坐‘井’觀天”的生活。在“井”里它們都相當自由，運動速度也不快，可就是跑不出去。人們必須提供極大的能量，才能把它從“井”底拉出來。但是目前人們還沒有辦法產生這么大的能量，使夸克獲得“解放”。

既然不能直接找到自由夸克，一些物理學家就改變了策略，企圖間接地搜尋它。因為根據理論推測，夸克帶有所謂的“分數電荷”，這使物理學家看到了一線希望。他們認為只要找到了“分數電荷”的攜帶者，那也許它就是夸克的化身了。因此物理學家在粒子加速器、隕石、月球、地下深井和海底等許多地方“張羅織網”，到處尋找具有“分數電荷”的粒子。

目前探測夸克結構和輕子結構的實驗都在進行中，但未取得進展。考慮到原子和原子核的線度相差10萬倍，因而可以預言夸克的結構最多只能在10^-20米的尺度上顯示出來；但目前的實驗只能探測到10^-17米的線度，因而夸克究竟是否有“內部結構”，至今還是一個謎。

責任編輯 蒲 暉