李淼

物理學(xué)家有一種本領(lǐng)，他們會(huì)化繁為簡(jiǎn)，并得出結(jié)論：所有行星、所有恒星，甚至恒星之外的塵埃和分子云，都是由基本元素對(duì)應(yīng)的原子構(gòu)成的。那究竟什么是原子核呢？

我們的世界，充滿(mǎn)了熟悉的東西和未知的東西。

你說(shuō)當(dāng)然，地球上還有很多你沒(méi)有去過(guò)的地方，還有很多你沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的風(fēng)景，你沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的不同的文化。事實(shí)上，我們對(duì)海洋深處、地球兩極，還有很多不了解的東西。

物理學(xué)家有一種本領(lǐng)，他們會(huì)化繁為簡(jiǎn)。他們不關(guān)心地球的具體構(gòu)造，但能了解到地球有多重，地球上各種元素的比例。他們甚至還了解到太陽(yáng)中各種元素的比例，與太陽(yáng)類(lèi)似的各種恒星的元素比例。然后，他們將所有這些化繁為簡(jiǎn)，得出主要結(jié)論：所有行星、所有恒星，甚至恒星之外的塵埃和分子云，都是由基本元素對(duì)應(yīng)的原子構(gòu)成的。而所有原子，又是由原子核和電子構(gòu)成的。原子核是由叫做核子的質(zhì)子和中子構(gòu)成的。質(zhì)子和中子是由夸克構(gòu)成的。在夸克之外，還有其他基本粒子。這些都是物理學(xué)家所熟悉的東西。

即使熟悉的東西，粒子物理學(xué)家也花了近一個(gè)世紀(jì)，才弄明白它們的基本構(gòu)成。這一個(gè)世紀(jì)的努力自然可以寫(xiě)成一部史詩(shī)，即使將這部史詩(shī)縮短到十分之一的簡(jiǎn)寫(xiě)本，也可以寫(xiě)成一本書(shū)。

我們熟悉的東西，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是所謂的物質(zhì)，而我們不熟悉的東西，叫暗物質(zhì)和暗能量。暗能量最不可捉摸，我是研究暗能量的，但我不知道在我有生之年能不能看到暗能量的本質(zhì)被揭開(kāi)。暗物質(zhì)相對(duì)暗能量也許更接近我們熟悉的東西，但也還屬于未知領(lǐng)域，相對(duì)于我們熟悉的物質(zhì)，宇宙中的暗物質(zhì)要多出四倍到五倍，這些我們無(wú)法用肉眼和望遠(yuǎn)鏡看到的暗物質(zhì)，彌漫在像銀河系一樣的很多星系周?chē)悬c(diǎn)像由物質(zhì)組成的恒星的保護(hù)神。而所有可見(jiàn)的恒星和不可見(jiàn)的恒星際的原子分子物質(zhì)，甚至白矮星和中子星，都是由我們熟悉的粒子構(gòu)成。多數(shù)情況下，我們并不需要太多的粒子種類(lèi)就可以解釋這些恒星，比如說(shuō)，宇宙間所有物質(zhì)的四分之三是質(zhì)子，當(dāng)然為了使得整個(gè)宇宙是中性的，有多少質(zhì)子就有多少電子，還有一些電子是為了補(bǔ)償其他原子核，例如占物質(zhì)總量接近四分之一的氦原子核。事實(shí)上，即使恒星也只占我們熟悉的物質(zhì)的一小部分，這些物質(zhì)粒子被物理學(xué)家統(tǒng)稱(chēng)為重子物質(zhì)。

在地球上，天然存在至少98種元素，所有這些元素的原子核都是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，質(zhì)子和中子叫重子，因?yàn)樗鼈儽入娮又亓私鼉汕П叮云胀ㄎ镔|(zhì)被簡(jiǎn)化地稱(chēng)為重子物質(zhì)，電子被無(wú)情地忽視了。而質(zhì)子和中子都是由兩種夸克構(gòu)成，這兩種夸克有兩個(gè)普通得不能再普通的名字，上夸克和下夸克?？淇诉@個(gè)詞的來(lái)歷當(dāng)然很文藝，是美國(guó)猶太物理學(xué)家默里·蓋爾曼從喬伊斯的天書(shū)《芬尼根守靈夜》的一段詩(shī)得來(lái)的，“向麥克老大三呼夸克”，夸克在喬伊斯的書(shū)中也許只是海鷗叫聲，而據(jù)蓋爾曼自己說(shuō)，他先有的是聲音，然后在喬伊斯的書(shū)中才找到拼寫(xiě)的，可是蓋爾曼并沒(méi)有解釋他怎么會(huì)先有聲音的。無(wú)論如何，夸克就這樣永恒地進(jìn)入了物理學(xué)家的字典。上夸克和下夸克僅僅代表這兩種夸克的一種數(shù)學(xué)分類(lèi)，它們恰好在這種數(shù)學(xué)分類(lèi)中一個(gè)位置在上一個(gè)位置在下。而每一種夸克其實(shí)帶有三種不同的“顏色”，這就是為什么蓋爾曼看到“三呼夸克”馬上就采用喬伊斯的拼寫(xiě)的原因。

一個(gè)死硬還原論者，會(huì)繼續(xù)追問(wèn)夸克有沒(méi)有可能是更加基本的東西構(gòu)成的，因?yàn)槌藰?gòu)成質(zhì)子和中子的上夸克和下夸克之外，還有四種夸克，這些夸克可以在粒子對(duì)撞機(jī)上產(chǎn)生。確實(shí)，物理學(xué)家們?cè)谶^(guò)去幾十年提出形形色色的理論，可惜的是，到目前為止，并沒(méi)有一種被物理實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

（抽文）

即使熟悉的東西，粒子物理學(xué)家也花了近一個(gè)世紀(jì)，才弄明白它們的基本構(gòu)成。endprint