10分鐘讀懂粒子物理到底是如何誕生的

物質本源

探秘粒子世界

粒子物理是研究最基本粒子的一門學科，換句話說它是從最小尺度說明了物質構成的問題。

在物理界，一般獲取粒子的方法是通過加速器，讓粒子以極高的能量相互碰撞，從而將粒子「打碎」，直到碎片在我們現有的條件下不能再碎，我們就認為那就是目前我們已知的最小粒子。

除此之外，更多的粒子則來源於高能宇宙射線。也因為粒子的獲取需要極高的能量，因此它還有一個別稱——高能物理。

其實呢，在最開始的時候，粒子物理又叫做基本粒子物理，顧名思義就是研究構成物質最基本的微粒。但是隨著人們認識的不斷深入以及加速器的能量不提高，以前的基本粒子其實可以被「打碎」為更加基本的粒子，因此索性就去掉了「基本」二字，稱之為粒子物理。

北京正負電子對撞機

探尋世界的構成

這個世界自從有了人類開始，就不斷在對這個世界進行探索。從生活中常見現象的規律，到規律內部所包含的更深的原理，在歷史的長河中，逐漸浮現在我們面前。但是，人們在這個世界上生活了這麼長時間，誰又能對「世界到底是什麼」給出一個準確的答案呢？儘管唯物主義和唯心主義各有各自的觀點，但不可否認的是，他們都提到了兩件事-物質和意識。

我們首先從物質開始說起。

一尺之棰，日取其半，萬事不竭。早在古時候，我們的先人就思考，物質的最小單位是什麼？就好像城牆是由磚一點一點壘成的，物質這面「牆」有沒有自己的「磚」呢？其實，這個問題不僅引發了哲學上的思考，更推動了科學家們的興趣。

1897年，J.J.Tomson（湯姆孫）發現了陰極射線會被磁鐵偏轉，而根據磁性以及偏轉方向，他發現這個射線應該攜帶負電荷。

接下來他又發現，所謂射線，其實是由許多粒子構成的，與其叫做射線，不如說是粒子流。進而湯姆孫測出了他們的荷質比（電荷與質量的比值），這個比例比那時候任何已知的粒子都大很多。這說明，這種粒子要麼具有極大的電荷，要麼具有極小的質量。這就是我們現在所說的電子。

湯姆孫和他的陰極射線管

湯姆孫正確猜測了電子是原子的成分，並認為電子就像「麵包裡面的葡萄乾」，鑲嵌在原子核上面。但是他的模型被Rutherford（盧瑟福）著名散射實驗否定了。通過散射實驗，盧瑟福提出了著名的原子核式結構模型。其中，帶正電荷的成分主要集中於原子核上，盧瑟福稱之為質子，電子分布於原子核的外面。然而，原子核式結構模型並不是完美的，比如在極大角度和極小角度散射實驗，結果與理論嚴重不符。

到了1914年，Bohr（玻爾）提出了氫原子是由一個電子環繞一個質子的模型，就好像行星繞太陽運動，擁有一個軌道一樣，電子因相反電荷作用而被束縛在了一個軌道上。利用早期的量子理論，玻爾的模型可以解釋氫原子光譜，且實驗與理論符合很好。自然而然地，之後的原子應該是由更多的質子，以及他們束縛更多軌道的電子組成。

然而不幸的是，僅僅第二號元素氦，雖然有兩個電子兩個質子，質量卻是氫原子的四倍。這說明原子核內除了質子和電子，顯然還存在一種物質（或者微粒）。直到1932年，Chadwick（查德威克）發現了一種中性粒子，現在稱之為中子。他的質量和質子差不多，佔據了原子重量的一部分。至此，人們才算認清楚原子內部的結構。

化學反應的基本單位是原子，不過物理學告訴我們原子其實有更深層的結構。但是，人們對於物質的認識還沒有停止，之後人們對於物質的探索，又是一個怎樣的過程呢？在進行深入討論之前，我們先去觀摩一場曠日持久的「戰役」。

熟悉又陌生的光

時間要回到17世紀。那個時候，物理學家們就光的本質展開了一場大規模戰役。

首先，以Newton（牛頓）為代表的粒子派和以Huyghens（惠更斯）等人為代表的波動派就打得不可開交。兩大門派互相拆台，他們都各自有各家的鎮山之寶。粒子派的法寶就是光的折射、反射和直線傳播等，如果把光看作粒子，這些輕易就可解釋。波動派的法寶是光的干涉、衍射等。

楊氏雙縫干涉原理圖

這場爭論持續了很久，最終以波動派勝利而告一個段落。

但是事情到此遠沒有結束。

1900年，人們在試圖解釋黑體輻射現象時產生了荒謬的結果。Rayleigh-J.H.（瑞利-金斯）用推導出來的公式去擬合黑體輻射的圖，在長波段（低頻）區間符合，但是在短波段（高頻）區間產生了一種陡然上升的趨勢！因此他們擬合的公式導致了嚴重的「紫外災難」。為了避免這場災難，Plank（普朗克）在擬合實驗曲線時，提出了可以假設電磁輻射能量是以一小份的形式輻射的猜想，即：

E= hν

其中h是普朗克用來擬合數據的一個常數，其值為：

h＝6.626×10^(-27) erg·s

ν為輻射頻率。

普朗克並不知道為什麼要量子化，但是他的擬合公式，卻很好地符合了黑體輻射圖形，儘管他自己並不認為自己的解釋是正確的，同時他也在想辦法找出一個新的理論推翻自己的假設。

1905年，Einstan（愛因斯坦）向前推進了更基本的觀點，他認為量子化是電磁場本身特性而與輻射機制無關。於是他用普朗克的想法去解決光電效應，即電磁輻射撞擊金屬表面，電子會被打出來，造成電流表指針偏轉。他提出了打出來的電子的能量與頻率的關係：

E= hν-W

顯然這個公式，在把光量子化的同時，也把光粒子化了。

之後的20年內，愛因斯坦不得不為光量子而鬥爭。這使得粒子派重見天日，波動派的江山還沒坐穩，就不得不面對這個嚴酷的事實。

爭鬥的局面一直僵持著，最後這場僵局由Conpton（康普頓）於1923年的實驗打破。

康普頓發現，光對一個靜止粒子散射會讓其波長改變，這叫做康普頓效應。對於康普頓效應的解釋，如果我們把光看成質量為0的粒子，同時類比於處理普通彈性碰撞問題去處理它，那麼這個問題也就迎刃而解了。這個結果直接說明了光在亞原子尺度上的行為更像一個粒子，我們稱之為光子。

粒子派無疑又看到了希望。但是兩個門派總是這麼打，也不叫個事，搞得物理學界「腥風血雨」。兩家就不能不計前嫌，握手言和么？充當這個調解員的人是de Brogile（德布羅意），他巧妙融合了波和粒子的關係，波長是描述波的物理量，動量是描述粒子的物理量，他們之間通過普朗克常數連接，即：

p=h/λ

這樣一來，波和粒子就有了聯繫，光既可以表現粒子性也可以表現波動性，同時對於任何物質也一樣，既可以是波，也可以是粒子。這就是波粒二象性。德布羅意因此獲得了諾貝爾物理學獎。

儘管一開始光量子不被物理學家接受，但是在量子場論中發現了光子的歸屬，並且讓我們重新認識了電磁作用。

在經典力學裡面，我們把兩個電子相互排斥歸結於它們的電場，而在量子場論裡面，電場是通過光子量子化的。因此，我們可以把電磁相互作用歸因於兩電子之間相互往來的光子，即電子可通過交換彼此間的光子實現躍遷。。與此同時，對於任何非接觸性的力都可以通過交換某種「物質」來解釋。

在經典理論中我們認為場是一種媒介，作用於一定的距離。而現在我們認為，它是通過粒子交換（媒介）來實現的。在電磁作用裡面，媒介就是光子。順帶一提，四種相互作用裡面只有引力作用媒介粒子沒有發現。

隨著對光的認識的同時，導致了一門新的物理學科的誕生-量子力學，同時也引發了一場革命性的轟動。

對於光的本質的戰役落下帷幕，然而我們站在經典與量子之間，對於物質的認識又該何去何從呢？也許接下來所要說的強作用會給我們答案。

神秘的強力媒介

在我們了解了原子的結構之後，不知道大家有沒有考慮過這個問題，為什麼帶正電的質子會聚集在一起？

按理說由於相同的電荷互相排斥，它們受到排斥力不應該在一起，而應該彼此遠離才對。所以，我們不禁會想，在這裡面肯定有一種比排斥力更強的力量把它們束縛在一起。在過去物理學家叫它為強力。但是自然界如果真有這麼強大的力，我們為什麼感覺不到呢？這是由於，強力雖然強，但卻是一個短程力。這意味著只能在很小的尺度上感受到它。

第一個著名強力理論由湯川秀樹於1934年提出的。

湯川秀樹

假設質子和中子通過某種場而相互吸引，根據之前的內容，這個場應該是量子化的。那麼其量子性質又是怎樣？我們上文提到了光子，並且說到每一種作用力都應當有一種媒介。因此對於強力來說我們需要一種粒子，交換這種粒子以導致強力的特性。例如，這種短程作用，粒子應該很重。經計算，湯川得到了一種質量約為電子質量300倍的粒子。因為其質量介於電子和質子之間（電子被叫做輕子，質子被叫做重子，我們以後會涉及到），故而被稱作介子（這不是一個嚴謹的做法，後面我們會更正）。

由於湯川計算出的粒子當時並沒有被發現，所以他對他的計算結果保持懷疑態度。但是，隨著宇宙線研究的進展，1937年這種粒子在宇宙射線被發現。而且這種粒子數量還是相當的龐大，實際上當你在看這篇文章時，每隔幾秒就會有這種粒子轟擊你。

但是事情並沒有那麼一帆風順。隨著對宇宙射線更深入的研究，人們發現這些粒子壽命比湯川預言的要短很多，而且不同質量的測量顯示出粒子間不自洽。

作為湯川預言的傳遞粒子，它與原子核的作用應該很強，但是1946年在羅馬證明了這種來自宇宙射線的粒子與原子核的相互作用實際上很弱。

一項決定性的工作，直接否定了湯川的預言。不過這還不是定數，時間不長，1947年這個謎團就解決了。人們發現實際上宇宙線裡面有兩種粒子，分別是π和μ。真正的湯川介子是π，而μ是一個和強作用無關的打醬油的。然而強力並非如此，真正的強力應該由更加基本的粒子-膠子來解釋。

我們通過光揭開了電磁力的面紗，通過π介子看到了強力的影子。到這裡，我們已經走上了粒子物理髮展的軌道上了。

正如我們所述，那時的人們正在逐步從原子往更深入的層次探索，在物質之間的聯繫上，人們也認識到了相互作用中的媒介。在歷史的長河中，人們對於世界的好奇心，正是推動我們世界不斷向前發展的動力。即便這個過程一路坎坷，但是我們的世界還是在向前發展的。

目前人們對於世界的認識還在繼續，並且將永遠進行下去。當然隨著我們認識的深入，認識世界將是越來越難的事情，所以，我們還有好多東西要學。

本文作者：

不願意透露姓名的梁天宇同學，就讀於河北師範大學物理學專業，現在大三。一枚對文學感興趣的理科生，努力嘗試把科學寫得通俗。對粒子物理感興趣，所以準備考這個方向的研究生，因此自學了一些相關的內容，斗膽嘗試寫一些科普文章。能力不足，水平有限，希望不會成為大家眼中的民科，不足之處還望指正。

本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容

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