科学百科57期丨夸克是什么东西？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第五十七个问题：夸克是什么东西？

夸克这个概念，是由于最近25年来发现了一百多种不同的亚原子粒子才产生出来的。确实，其中只有很少几种粒子能够维持到十亿分之一秒才发生衰变，但是，仅仅存在着这些粒子的事实本身，就够物理学家伤脑筋了。

为什么会有这么许多粒子，而且每一种粒子都与别种粒子不相同呢？

事情会不会是这样：这些不同的粒子可能组成几个大家族，并且每个家族内的许多粒子可能按照非常有规律的方式彼此有些差异？要是这样的话，就只需要考虑到少数几个粒子家族的存在，而无需把每一种粒子一一分别考虑了。这时，在看来似乎杂乱无章的亚原子丛林里，就会建起某种秩序来了。

1961年，美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家尼门分别研究出一种把粒子归入这样一些家族的办法。盖尔曼甚至还提出，有一个粒子族应该包括一种他称之为负ω粒子的东西——这是一种具有非常奇特的、极不寻常的性质的粒子，但人们从来没有碰到过它。不过，物理学家只要知道它按照假设应该会有什么样的性质，他们就知道该怎样去寻找它了。结果，他们在1964年发现了这种粒子，并且发现它的性质正好与盖尔曼对它的描绘一模一样。

盖尔曼在研究他那些粒子家族时想到，说不定所有各种不同的亚原子粒子会是由很少几种更为简单的粒子结合而成的。如果真是这样，那可就会把我们对宇宙的看法大大简化。在他看来，只要假定存在着三种不同的、具有特定性质的亚原子粒子，就可以按不同的方式把它们组合起来，得出已知的所有各种亚原子粒子。

由于要用三个这种假设的粒子结合起来，才能构成一个已知的粒子，盖尔曼就想起了作家乔伊斯的《芬尼根斯·韦克》中的一句话（作者为耍弄文学技巧，故意在这本书中玩文字游戏）：“三个夸克才顶得上一个马克。”因此，盖尔曼就把这些假设中的粒子命名为“夸克”。

夸克的二个令人惊奇之处，就是它们应该带有非整数电荷。所有已知的电荷不外以下几种情况：或者等于电子的电荷（-1），或者等于质子的电荷（+1），再不然，就是正好等于这两种电荷的若干倍。但是，p夸克的电荷只有＋2/3，n夸克和λ夸克的电荷只有－1/3。这样，一个质子将由一个n夸克和两个p夸克构成，一个中子则由两个n夸克和一个p夸克构成，余者依此类推。

但是，夸克是真的存在呢，还是仅仅是一种数学上的臆想？

为了让你明白我的意思，请你考虑一张五角的钞票。一张五角的钞票可以看作等于10个五分的硬币。但是，这仅仅是一道算式呢，还是你真的有可能把这张五角的钞票撕成十份，并且发现每一份都是一个实实在在的五分硬币？

自从盖尔曼第一次提出存在夸克粒子以来，物理学家就一直千方百计想找到夸克存在的迹象，但却没有成功。1969年，澳大利亚有人报道说，已经在宇宙线碰撞所产生的粒子簇射中，找到了带非整数电荷的粒子的径迹。不过，它的证据看起来非常玄，所以，大多数物理学家对这个报道都持怀疑态度。