关于世界本质的探索,人类自古以来从未停止过。
早在两千多年前,古希腊哲学家德谟克利特就提出了著名的“原子论”。
该理论认为:
1、世间万物,均由极小的原子微粒构成;
2、原子是实心物质,不可再分;
3、宇宙的本源是原子和虚空,原子组成物质,虚空是原子运动的场所。
用现在的观点看,德谟克利特的理论依然称得上惊艳。
他构想出原子这样一种基本粒子,通过排列组合,形成万物,符合大自然的简洁之美。
因此,原子论一直统治学界一千多年。
直到1803年,英国化学家道尔顿继承了古希腊的原子论和牛顿的微粒说,发表了集大成之作的现代原子论。
其核心思想是:
1、组成不同物质的原子是不同的;
2、不同原子之间可以通过化学反应形成新的物质。
可以明显看出,道尔顿的原子论相比德谟克利特的原子论,深度不可同日而语。
而且道尔顿是通过大量的化学实验和测量工作,才得出了这个结论。
因此,他的原子论代替了古希腊原子论,继续统治学界近100年。
直到1897年,汤姆逊发现了电子,人类终于揭开了原子内部的奥秘。
原来,原子并不是基本粒子!
于是,关于原子结构的研究成为重点。
很快,质子、中子被发现,中微子概念被提出。
前面说过,1936年,安德森在宇宙射线中发现了μ子。
当时的物理学家们虽然很高兴,但同时也非常困惑。
因为μ子的出现破坏了“宇宙的简洁和美感”。
μ子完全就是放大版的电子,除了质量外,它的所有性质都和电子一样,什么自旋、同位旋等。
因此,物理学家就奇怪:
“宇宙已经造出了电子,为什么还要造出μ子?”
“这完全是多余的啊。”
谁都解释不了这个问题。
接着,鲍威尔在1947年又发现了传递强力的π介子。
现在的粒子家族变成了:质子、中子、电子、中微子、μ子、π介子、光子。
这里要提一下,π介子按照海森堡的同位旋理论,有三个空间投影,代表了三种电荷状态。
分别是:π+/π-/π0。
当时的物理学家认为,这些粒子都是基本粒子,不可再分。
很快,宇宙射线领域迎来了超级大爆发。
40年代末至50年代初,物理学家几乎每个星期,都能从宇宙射线中发现新的粒子。
短短几年,发现的新粒子就有七八十种。
其中最重要的是美国物理学家罗切斯特和布特勒发现的一批新粒子。
它们可以分为两类:
第一类称为【k介子】。(注意,这个字母不读kei,而是希腊字母,读卡帕。)
包括k+、k-、k0、反k0。
k介子跟π介子一样,也是传递强力,不过前者的质量比后者更大。
第二类称为【超子】。
其实超子的本质就是类似质子、中子这样的重子。(都是由夸克组成)
但是因为它们的质量远高于质子和中子,于是就称为“超越一般重子的重子”,简称“超子”。
超子包括:Λ、Σ+、Σ0、Σ-、≡0、≡-。(嗯,我也不会读)
这两类粒子,全都与强力有关。
这时,大家可能发现一个小问题了。
随着粒子越来越多,仅仅按照重量法分的重子、轻子有点不合适了。
于是,物理学家将所有和强力相关的力统称为【强子】。
希望从相互作用的角度梳理粒子的性质。
强子就包括了重子和介子。
重点来了!
物理学家在研究强子的时候,发现了一个非常奇怪的现象。
以Λ子为例,它是强力作用的产物,性质不稳定会发生衰变。
Λ子会衰变成π-介子和质子。
那么很显然,物理学家就想,π-和质子在强力的作用下,也会变成Λ子。
然而,实验结果却发现,π-和质子是在弱力的控制下,变成了Λ子。
这里要提一下,怎么才能知道粒子衰变受什么力控制呢?
把两个粒子相互作用比喻成两个靶面碰撞。
碰撞面积越大,则就越容易发生碰撞。
而物理学家发现,力越强,则碰撞面积越大。
四大力按照强度排序:强力>电磁力>弱力>引力。
所以,物理学家通过测量碰撞截面,就能知道粒子的作用过程是受哪个力控制。
回到上面,要如何解释Λ子的问题呢?
这时候,美国物理学家盖尔曼提出了一个新的量子数:“奇异数”。
这是一个和同位旋类似的量子数,是盖尔曼在研究了大量的粒子性质后,假想的一个量子数。
想的过程也很简单,就是加减乘除硬凑。
比如一个粒子衰变中,有重子数1、轻子数1、电荷数+1、自旋1/2、同位旋2/3等等量子数。
按照规律,这些量子数的数值在作用前后都需要守恒才行。
但是现在Λ子不守恒了。
好办,新加个奇异数凑守恒就行了。
就是如此朴实无华的理论。
这里,其实也能体现出民科和真正物理学家的区别。
前者的凑,那是毫无理由和基础的凑;而后者的凑,是在深入研究已有结果的基础上,能完美解决问题。
两者不可混为一谈。
解决了不守恒的问题后,物理学家开始系统地研究这些新粒子。
很快,大家就发现,通过让这些已知的粒子发生碰撞,能得到很多的人造新粒子。
(碰撞产生新粒子有相应的理论能证明,这里就不提了。)
于是乎,到了60年代,粒子家族的成员已经超过了300种,连希腊字母都快不够用了。
其中绝大部分都是各种各样的强子。
最重要的是九种介子和九种重子。
九种介子:p+、p0、p-、k*+、k*0、反k*0、k*-、w、ф。
九种重子:Σ*-、Σ*0、Σ*+、≡*-、≡*0、Δ++、Δ+、Δ0、Δ-。
这些粒子同样拥有自己的电荷数、重子数、同位旋数、奇异数等各种量子数。
这时候,物理学家们已经被300多种粒子折磨的死去活来。
比如发现兰姆位移的那个兰姆,就曾无奈地说过:
“以后谁要是再发现新粒子,先罚他1000美元再说。”
可见越来越多的粒子已经把大家都逼疯了。
要是在以前,发现新粒子是多么大的荣誉啊,整个学界都要震惊,普天同庆。
但是现在,新粒子多到物理学家已经想吐了。
果然,什么东西一玩腻了,就没意思了。
而且,大家也不需要把这些粒子记得那么清楚。
因为费米也记不住