物理世界奇遇记-第26部分

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三角形的十重态——注视了片刻，不过，这时，他开始发觉从福
尔摩斯那烈性烟丝散出的气味是那么辣得呛人，他越来越被烟雾
所包围。这是最不愉快的事，所以他决定还是离开此地为妙。
漫无目标地走了一会儿，他决定绕着探测器闲逛一圈。走到
尽头时，他又惊奇又高兴地看到一个俯身在工作台上干活的熟悉
身影。这是那个木雕匠！
“你在这里做什么？”他问道。
木雕匠抬起头来，认出他的拜访者后，他脸上露出了笑容：
“这不是你吗！能够再一次见到你，真是太好了。”
他们握起手来。
“还在忙着干你的上色活，我看到了。”汤普金斯先生说。
“是的。不过从上一次你来看我以后，我就搬到这里来了。”
他说，“新任务。不再给质子和中子上色了。这些日子要上色的
是夸克。”
“夸克！”汤普金斯先生喊道。
“对极了，它们是原子核物质的最基本的组成部分。中子和
质子就是由它们组成的。”
他看着他的朋友，示意要他走近一点。“我刚才无意中听到
你同上面那个大声嚷嚷的家伙的谈话，”他像在说心腹话那样咕
哝说。“这是基本的，亲爱的华生，是基本的。”他挖苦地重复
了福尔摩斯的话，“去他的吧，他根本就不知道他在说什么。基
本的，简直是胡说！他的那些粒子完全不是什么基本粒子。把我
的话传给他：夸克才算得上最基本的东西。”
“那么，你现在究竟是在于什么活呢？”汤普金斯先生问道。
“在给夸克涂上颜色啊，”木雕匠回答说，“由于新粒子是
从加速器跑出来的，我得给它们的夸克上色。”他一只手拿起一
把很精巧的尖头刷子，另一只手拿着一把镊子，继续说下去：“
这是很琐碎的活。夸克实在是大小大小了。瞧，这里是个介子，
再看看里面的夸克：一个夸克，还有一个反夸克。我得像这样来
处理夸克。”他一边说，一边把镊子伸进介子内部，把那个夸克
夹住，“你永远无法把夸克拉出来，它们胶合在一起，粘得太牢
了。不过没关系，就是它们还呆在里面，我也能够非常好地把它
们涂上颜色。我把夸克涂上红色，就像这一个。然后，再用另一
把刷子，把反夸克涂成绿色。”
“这是你过去给质子和电子所上的颜色嘛。”汤普金斯先生
还记得。
“是的。正如你所看到的，这两种颜色的组合使整个介子变
成白色。但是，我也可以利用其他补色的组合做到这一点：蓝色
同黄色，青色同品红色（或紫色）。”他指着工作台上另一些颜
料瓶说。
“而重子（像这边这个质子）是由三个夸克组合成的。所以
对于重子来说，我要把每一个夸克涂成不同的原色：红，蓝和绿。
这是产生白色的另一种办法。要嘛你采用一种颜色和它的补色，
要嘛就把所有三种原色混合起来。”
这时汤普金斯先生的思想突然走了题，想起不久前同神父的
会面。他想象泡利神父一定会接纳介子——两个对立面的联姻，
但却不敢肯定他对于三个相同粒子的组合会怎样看待。
木雕匠一本正经地往下说：“我想让你知道，这是一项极其
重要的工作。宇宙的构造本身就取决于我在这里所做的事。给质
子和电子上色，只不过是为了使它们看起来漂亮一些——在一般
物理书的插图中更容易区别一些。但是，前面说到的那些却是非
常重要的色。我是说，物理学家们本身就是这样称呼它们的。它
们说明了为什么夸克总是互相束缚在一起——为什么它们永远不
能分离。一个粒子要想能够独立，它就必须是白色的，就像我刚
刚完成上色工作的质子和中子那样。这些质子和中子都放在上面
的匣子里，马上就准备交货了。不过，单个的夸克却是有色的，
所以它们必须永远同带有适当颜色的其他夸克粘在一块。我相信，
我已经把这一切都对你讲清楚了。”
汤普金斯先生觉得他先前从那本小册子读到的某些内容，现
在好像有了着落。但是，究竟为什么粒子应该是白色的，这对他
仍旧是个谜。他走到放着中子的那个匣子跟前，把盖子打开。他
被核子耀眼的白色给震住了。事实上，他被白光弄得眼花绦乱，
不得不用手遮住眼睛……



“我相信，他终于走回来了。”这是慕德的声音，“拿灯来，
对不起，你把他照瞎了。亲爱的，亲爱的，你还好吗？太叫人宽
慰了。我们都担心得要死。你怎么撞成这样了！现在你觉得怎么
样？”
“就是那个正电子，”汤普金斯先生喃喃他说，“那个正电
子击中了我。”
“有个正电子击中了他？”有个声音问道，“他是这样说的
吗？”
“脑震荡，”另一个声音宣布说，“他患了脑震荡。真是一
塌糊涂！我们得把他送去医疗站。现在他需要先休息一会儿，我
们把他前额的伤口包扎一下吧！”


１６　教授的最后一篇演讲


女士们、先生们：

1962年，默里·盖尔曼和尤瓦尔·尼曼分别独立地认识到，
可以根据ＳＵ（３）群把各种粒子归纳成一些家族图形。
他们发现，并不是所有家族图形都是完整的，其中有一些空
隙。从这方面说，这种情况同门捷列夫早先在编制其原子元素周
期表时所面临的局面非常相似。门捷列夫也发现元素的表现可以
排成一些周期循环的图形，如果他给当时还没有发现的元素留下
一些空位，通过考察这些空位旁边的元素的性质，他便能够预测
那些未知元素的存在和它们的本质。现在，历史再次重演了：盖
尔曼和尼曼也根据三角形十重态中的一个空位，预测出Ω－粒子
的存在和它的具体性质。由于1963年引人注目地发现了Ω－粒子，
科学界便完全相信ＳＵ（３）对称群是站得住脚的。
门捷列夫周期表通过揭露元素之间的关系，暗示了它们的内
部结构：应该把各种元素看做是用同一个题材写成的不同类型的
作品。这种看法后来在原子结构理论中得到了证实，根据这个理
论，一切原子都是由一个原子核及其周围的电子组成的。
1964年，盖尔曼和兹威格指出，粒子所表现出的相似性和家
族图形同样是某种内部结构的反映。这个建议坚持认为，当时被
当作“基本粒子”的２００多种粒子，事实上很可能是由更为基
本的组成部分构成的合成物。这些组成部分被叫做夸克。目前，
大家都相信夸克是真正的基本粒子。它们被看做是不具有由“亚
夸克”组分组成的内部结构的点状物。但是，谁知道是不是这样
呢？我们也可能又一次被证明是错误的！
最初的方案是根据当时已知的三种类型或者说有三种味的夸
克制订的。这三种夸克是上夸克、下夸克和奇夸克。前两种夸克
之所以这样命名，是因为它们的同位旋采取朝上和朝下的方向。
奇夸克的名称则出于它带有新发现的一种物理性质——奇异性。
20世纪70年代，人们辨认出带有另外两种性质（粲性和底性）的
粒子，到了90年代，又辨认出另一种性质（顶性）。于是，后来
的方案就必须把带有新发现的性质（另外三种味）的夸克包括进
去。所有这６种夸克的性质都在表１中列出。
除了这６种夸克以外，还有６种反夸克，它们的各个量子数
全都与表１所示的值相反。例如，奇夸克ｓ的反夸克ｓ－的Ｑ＝
＋１／３，Ｂ＝－１／３，Ｓ＝＋１。

表１　夸克的各种性质
————————————————————————————
Ｑ　Ｂ　Ｓ　ｃ　ｂ　ｔ
————————————————————————————
ｄ…1/3　1/3　0　00　0
ｕ　2/3　1/3　0　00　0
ｓ…1/3　1/3　…1　00　0
ｃ　2/3　1/3　0　10　0
ｂ…1/3　1/3　0　0　　…1　0
ｔ　2/3　1/3　0　00　1
————————————————————————————
表是Ｑ是电荷，Ｂ是重子数，Ｓ是奇异数，ｃ是粲数，ｂ是
底数，ｔ是顶数。竖行中的ｄ，ｕ，ｓ，ｃ，ｂ，ｔ分别代表下、
上、奇、粲、底、顶等６种夸克。

这些夸克和反夸克可以合成高能碰撞中产生的所有新粒子。
重子是由３个夸克（ｑ，ｑ，ｑ）构成的。因此，举例来说，质
子是（ｕ，ｕ，ｄ）的组合，中子是（ｕ，ｄ，ｄ），而Λ０是
（ｕ，ｄ，ｓ）。你们可以从表１中查出，上面这些组合确实产
生了各种粒子所具有的性质（例如，质子的Ｂ＝＋１，Ｑ＝＋１）。
反重子是由３个反夸克（ｑ－，ｑ－，ｑ－）组成的，这就
使得重子和反重子具有截然相反的性质。
那么，像π介子这类介子呢？介子是由一个夸克和一个反夸
克（ｑ，ｑ－）组合构成的。例如，π＋介子是（ｕ，ｄ）的组
合。你们可以再一次从表１中查出，这种组合正好给出π＋介子
的全部性质：Ｂ＝０，Ｑ＝＋１。
我必须指出，并非所有粒子都是由夸克构成的。只有重子和
介子才有这样的结构。事实上，我们把所有这类粒子统称为强子。
强子能感受强核力的作用；而另一些类型的粒子，像电子、μ子
和中微子等，就不是这样了，它们统称为轻子。其实，“重子”
和“轻子”这两个名称可能并不太准确，它们是根据粒子质量的
轻重定下来的。但是，我们目前已经知道，有一种轻子——τ粒
子——比质子还要重一倍，根本就不是什么“轻”粒子！因此，
最好是根据粒子到底是强子（会进行强相互作用的）还是轻子（
不感受强核力作用的），来对它们进行描述。
到目前为止，我们只谈到被束缚在强子里的夸克。那么，自
由夸克是什么样的呢？它们应该是很容易根据它们的分数电荷（
Ｑ＝１／３或Ｑ＝２／３）而被辨认出来的吧！
尽管人们尽了最大的努力，却从来没有人见到过自由夸克。
即使是在最高能的碰撞中，也从未发射出夸克来。这就要求物理
学家对它作出合理的解释了。
有一种流行过一时的想法认为，夸克并不是真实的东西，而
只不过是数学上的玩意儿——一种有用的虚构物。是粒子的表现
使人觉得它们似乎是由夸克构成的，但并没有现实的夸克这种东
西。
但是，后来人们却无可争议地证明了夸克的真实性，这是历
史重演的又一个例子。请大家回想一下，1911年卢瑟福爵士是怎
样通过把子弹（α粒子）射入原子并观察到某些大角度反弹，从
而证明原子核的存在的吧。这是因为大角度的反弹表明，入射粒
子在原子中撞上了一个很小的密实的靶（原子核）。1968年，人
们开始有可能把高能电子射入质子的内部，并开始积累了电子偶
尔发生大角度侧向反弹的证据，这表明电子撞上了质子内部某种
很小的密实的带电物体，从而证实夸克的确是存在的。不仅如此，
从这种大角度散射的频率出发，就可以计算出在质子内部有３个
夸克。
好了，既然确实有夸克存在，那么，为什么它们从来不单独
出现呢？此外，我们还必须再提一个问题：为什么我们只能得到
（ｑ，ｑ－）和（ｑ，ｑ，ｑ）的组合，而得不到像（ｑ，ｑ－，
ｑ）和（ｑ，ｑ，ｑ，ｑ）那样的组合呢？为了解释这个问题，
我们得转而谈谈夸克之间的作用力的本质。
首先我们要回顾一下，氢原子的质子和电子之间的吸引力是
怎样由质子和电子所带电荷之间的静电作用力引起的。这样，通
过类比，我们要引人另外一种“荷”。我们假定夸克就带有这种
“荷”（此外还带有电荷），而强力就是由于这种“荷”之间发
生相互作用而引起的。我们把这种“荷”叫做色荷，为什么这样
叫，以后大家就会明白。
就像正负电荷会互相吸引一样，正负色荷也会互相吸引，不
过其作用力要强得多。我们假定夸克带有正色荷，而反夸克带有
负色荷，这就解释了为什么容易出现介子的（ｑ，ｑ－）组合的
原因。我们再一次通过同静电场的类比，假定同性的色荷互相排
斥，这就说明了不存在（ｑ，ｑ－，ｑ）组合的原因。正如靠近
氢原子的第二个电子不会附在氢原子上，是因为它对质子的吸引
力被它对已经处在原子中的那个电子的排斥力抵消掉了一样，第
二个夸克也不会附在介子上，因为它受到介子中已有的另一个夸
克的排斥。
不过，你们大概想问：那么，你怎么解释（ｑ，ｑ，ｑ）的
组合呢？这里我们必须注意到电荷和色荷之间的差异。电荷只有
一种，它可以是正的，也可以是负的；而色荷却有三种，其中每
一种都可以是正的，也可以是负的。我们管它们叫做红、绿、蓝
（即ｒ，ｇ，ｂ），其原因马上就要讲清楚（不过，现在我得立
刻强调指出，它们同日常生活中的颜色并没有什么关系）。既然
色荷有三种，便出现了一个问题：在带有不同种色荷的夸克之间
（例如带红色的ｑｒ和带蓝色的ｑｂ之间）会发生哪种相互作用
呢？答案是：它们会互相吸引。由于（ｑｒ，ｑｇ，ｑｂ）组合
中的三个夸克各自带有不同的颜色，而每一个夸克都受到其他两
个夸克的吸引，所以这时的吸引力非常强大，能使（ｑｒ，ｑｇ，
ｑｂ）结合得特别牢固，特别稳定，因而就产生了重子。
为什么不会出现（ｑ，ｑ，ｑ，ｑ）的组合呢？因为色荷只
有三种，所以第四个夸克所带的色荷必定与已经存在于重子里的
三个夸克当中的某个夸克相同，这样一来，它就会受到带有同一
种色荷的夸克的排斥。结果，这个斥力正好同另外两个带有不同
色荷的夸克对第四个夸克所施加的吸引力抵消掉了，因此，第四
个夸克就不能加入重子的组合。
说到这里，大家可能开始明白为什么要用“色荷”这个名称
了。正如原子整个说来一般是电中性的那样，我们说，容许的夸
克组合也应该是色中性的，或者说应该是“白色”的。把颜色混
合成白色的方法有两种：或者是把一