新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如  译

                       唯我独尊的夸克

    自从古希腊时代以来，思想家们一直在试图回答这样一个问题：
构成宇宙的基本物质是什么？当代的科学家仍在试图回答这一问题，
但是最新得到的一些信息仍然使他们感到迷惑不解。答案似乎又悄悄
溜走了。

    例如，宇宙是由许多元素构成的。所谓元素是用通常的化学方法
不能再使它分解的简单物质。科学家已经认别出了100多种元素。每种
元素都是由原子构成的，原子是如此之小，以至于把2.5亿个原子一个
挨一个地排列成行，也不过1英寸长。因此，我们可以说，宇宙是由
100多种不同类别的原子构成的。

    但是，宇宙果真就是由原子构成的吗？或者说原子本身也是由更
小的、更简单的粒子构成的吗？

    20世纪初，科学家发现原子也具有结构。原子的外围含有电子，
而中心有一个原子核。原子核也是如此之小，把10万个原子核一个挨
一个地排列成行，才不过一个原子那么大。电子全都相同，不管哪种
原子，都具有同样的电子。而原子核则不同，每一种原子都有它自己
的原子核。

    然而，原子核还是由两种粒子——质子和中子构成的。无论是哪
种原子核，构成它们的质子和中子都是一样的。尽管宇宙万物变化无
穷，但到20世纪30年代初，科学家发现宇宙中的物质似乎都是由三种
粒子构成的，即电子、质子和中子。

    但是后来情况变得更加复杂了。实际上，电子存在着三种变体，
每一种都与不同类型的中微子相伴生；而全部这六种粒子又都有自己
的镜像。这就总共构成了12种电子型的粒子（被称为“轻子”），它
们全都是“基本粒子”。迄今为止，我们再也不能把它们分成更为简
单的结构。对于科学家来说，12种轻子还不算多得难以应付。

    中子与质子则不同。首先，中子与质子要比电子重1800倍还要多
一点，因而占宇宙质量的99.95%。另外，科学家也已开始认别出比电
子更重的其他各种类型的粒子，可能有几百种。

    这个数字太大了，而且好像使宇宙显得太复杂，因而科学家又想
知道这些粒子是否仍然是由更小、更简单的粒子组成的。

    20世纪60年代，科学家假定存在着新的粒子，是由它们构成了重
粒子。这些新粒子被称作“夸克”。中子、质子及其他更重的粒子，
据科学家推测都是由三个夸克构成的。比电子重，但比中子与质子轻
的粒子（所谓的“介子”）则由两个夸克组成。结果表明，共有12种
不同的夸克，恰好也有12种不同的轻子，而且夸克看起来就像是基本
粒子。这样，我们可以说，变化无穷的整个宇宙是由12种不同的轻子
与12种不同的夸克构成的，而自然界中一般看到的所有粒子不是轻子、
夸克，就是夸克的合成体（再要加上某种被称作“玻色子”的粒子，
它能使其他粒子产生相互作用）。看起来这已经足够简单了，但仍然
还存在一个严重问题。

    科学家能够很容易地探测到自由轻子并对它们进行研究，但他们
无法探测到自由夸克。电子带有一个单位电荷，质子也是如此。所有
电荷都是单位电荷的整数倍。然而，根据科学家的计算，夸克必须具
有分数电荷。如果我们从未对夸克的自由状态作过研究，我们能信其
有吗？

    事实上，我们甚至不能够*肯定*它们的存在，而不是仅仅为了数
学上的方便。举例来说，我们知道1美元相当于10美角，但是这并不意
味着我们把1美元的钞票撕开，就可以在碎片中找到10个美角的金属币。
这些美角在1美元中的存在完全是从数学意义上讲的。

    根据分数电荷，可以很容易地辨认出一个自由夸克，因为其他任
何类型的粒子都不具有分数电荷。不过，迄今为止还从未发现过分数
电荷。20世纪70年代末期，曾经有过一些报道，但是重复实验表明，
报道是错误的。

    自由夸克只能在十分极端的情况下存在的。例如，在中子星的核
心部分，或宇宙大爆炸以后的瞬间。那么，在实验室中科学家如何复
制出这样的极端条件呢？

    这里有一点小小的希望，如果我们建成了足够强有力的原子对撞
机，就有可能使一些特别重的原子核以巨大能量相互碰撞。撞碎的原
子核就会短暂地释放出夸克。在这种情况下，对于这些构成宇宙的唯
我独尊的基本成分，科学家才有可能一睹为快！确实有这种*可能*！