為什麼我們研究的物理越來越小？

那些年我們

追過的粒子

大半個月前，不願意透露姓名的梁天宇同學給各位模友講了粒子物理的誕生（傳送門），然後有很多人呼喚他趕緊出下集。今天，該同學終於完稿，超模君馬上編輯好分享出來給模友一睹為快。

粒子物理經歷了一系列的發展過程，不過殊途同歸，都是在對更加基本的粒子進行研究。我們已經經歷了原子的時代，並發現了原子更深層次的結構，但是，這對於我們多彩世界的描述還是遠遠不夠的。粒子物理總是在對粒子進行一再地挖掘，發現其中的奧秘。

那麼接下來，我們就介紹幾種更為基本的粒子，去了解一下科學家們是如何讓那神秘的粒子家族成員一一浮現在我們面前的吧。

奇幻的反粒子與反物質

1923-1926年，非相對論量子力學在這段時間建立起來了。但是相對論量子力學卻沒有那麼順利。根據相對論一個重要公式：

E2=p2c2+m2c4

眾所周知，平方項都是有正負兩個解的。對於上式中的E也不例外。在數學上，E完全可以取到負值。而且，系統會自發向低能方向演化，很自然應該有E取到負值那一刻。

但是我們的實驗中，根本就沒有取負值的能量，所以許多人認為E的負值只不過是數學上一個小把戲。

但是，狄拉克給出了「海」的概念賦予了負能量的物理含義。正如同正能量所對應的粒子，負能量也有自己對應的粒子，負能量對應的粒子與正能量對應的粒子相反。

比如對於電子，在負能量普遍分布著電子海，他們是均勻的而且不會對其它物體施加凈力。

類似於p型半導體一樣，如果一個電子缺失，在缺失的地方就會造成一個「空穴」。根據能量守恆，缺失的負能量應該等於等量的正能量，而空穴就是正電子的位置。

順便一提，狄拉克最初猜想這種空穴可能是質子，但是這要求質子的質量要和電子質量相同。顯然他關於空穴的猜想還是有誤區的。

Andersen

1931年，Andersen（安德森）發現了正電子，證實了狄拉克的假設，但是物理學家並不喜歡「海」這種描述。Feynman（費曼）就負能態給出了一種更加簡單的解釋：負能態是另一種不同粒子的正能態。對每一種粒子必定存在其反粒子。

1955年，負質子在Bevatron對撞機被觀測到。

反粒子的標記是在原粒子標記上面加一個「-」，比如質子p，反質子。正反粒子相遇會發生湮滅，釋放大量能量，而能量往往是以高能光子形式散發的。比如：

由於我們日常生活中默認了帶負電的電子，於是正電子就被我們認為是電子的反粒子。

這無疑為我們的生活的世界又增添了一份奇幻的色彩。既然每一種粒子都存在其反物質，那麼我們生活的世界是不是存在一個「反自己」呢？而我們又是怎麼知道我們是我們而不是「反我們」呢？

當粒子遇上反粒子，那是數億次的回眸不曾相遇的緣分，即便它們註定不能在一起。但是相反的電荷數，總是吸引著彼此，就像難以釋懷的詛咒，它們選擇了奮不顧身。

在那一瞬間，我們看到了那耀眼的光芒，歸於蒼穹。但是，那值得嗎？

可能當初上帝在創造世界的時候，自己都不知道自己創造了什麼，於是創造了人，讓人去代替他思考這個世界的規律吧。

令人迷惑的中微子

弱作用的一個典型例子是衰變。在β衰變中，元素A轉化為元素B並且釋放一個電子，因為電荷守恆，A要比B多一個電子，也就是B比A多一個單位正電荷。同時根據質量守恆，這實際上是A中一個中子轉化為B中一個質子。

但是，在1930年中子還沒有被發現。人們在做實驗的時候，發現了一個神奇的現象，當進行衰變反應的時候，發現衰變出來的電子能量不是一個確定的值並且伴隨著很大的起伏。

按理說，當我們給定A、B電子的質量時，根據能量守恆，電子能量就可以確定了，這也就意味著，電子理論計算出的能量應該是一個一定的值。

舉個例子，在氚核衰變的時候，衰變出來的電子起伏範圍大致在5到15電子伏特。

這種奇特的現象讓人很費解，以至於玻爾已經準備放棄能量守恆定律了。但是，泡利卻不認為，那麼這個「老頑固」又說了什麼呢？

他假設一種粒子伴隨電子而出，並攜帶能量，為了保持電荷守恆，這個粒子是電中性的。泡利建議叫它「中子」。這不同於我們現在已知的中子。

之後，Femi（費米）考慮把這種粒子引入到β衰變中，對於理論方面取得了巨大成功，解釋了能量起伏的原因。

從實驗得到的結果來看，這種粒子應該很輕，並且是電中性，所以泡利提出的新粒子「中子」實際上就是我們現在所說的中微子（這裡強調一下，中子和中微子不是一個概念，希望上述的描述沒有讓你弄混）。

好了，按照現在的觀點，β衰變基本過程是中子衰變出質子和電子以及（電子的）反中微子。

到1950年，中微子理論很成熟了，並且讓人信服，但是缺少實驗的直接證明。懷疑者認為，中微子不過是一個人為設計用來挽救能量守恆定律的粒子。因為中微子與物質相互作用太弱了！

但是最終，中微子仍舊被驗證了。

20世紀50年代的時候，南卡羅利娜的薩瓦娜河核反應堆，Cowan和Reines設計了一個實驗觀測「逆β衰變」。即電子的反中微子和質子反應，出現中子和正電子。他們成功捕獲到了極其微弱的正電子，為中微子存在提供了確鑿的證據。

為什麼上面提到的都是反中微子？

因為不是所有滿足能量守恆的反應都會發生的，由於電子是一種輕子，上述反應受到了輕子數守恆定律的制約。

我們定義輕子數L，對於電子、繆子以及它們的中微子輕子數是＋1，它們的反粒子輕子數是－1。反應前後要滿足輕子數量相同。

所以對於β衰變，由於衰變前質子輕子數為0，而衰變後電子輕子數為＋1，自然而然反應發生就要求生成的那個粒子輕子數－1，也就是反中微子。

最後給出三種輕子以及他們中微子的一些數據。輕子的輕子數都是＋1，反輕子都是－1。

但是中微子的行為還是如同鬼魅一般，早時候人們認為中微子和光子一樣沒有質量，直到現在，我們在處理一些問題時仍舊要忽略中微子的質量，因為這樣會讓問題很簡單。

但是中微子嚴格來說質量很小，特別是中微子振蕩，更說明中微子是有質量的。那麼中微子質量如何去計算呢？我們又該怎樣讓鬼魅一般的中微子現形呢？這是粒子物理目前一個熱點研究問題。

粒子家族的建立

我們之前介紹了光子、介子、反粒子以及中微子。在相當長一段時間內，人們沒有更深一步的發現，就好像粒子物理已經很完善了。

同時，人們認為粒子物理主要問題已經解決，因為湯川的介子，狄拉克的正電子都被證實了，除了泡利的中微子還尚未被確定，但是其理論內容已經被廣泛接受了。一切的一切好像在1947年的時候就已經完成了。

但是，還沒有怎麼過上幾天舒服的日子，新的問題又來了。同年12月，羅切斯特和布特勒發布了一張雲室照片：宇宙線打到鉛板，產生了一個中性粒子，然後衰變成兩個帶電次級粒子。

經觀測，這兩個次級粒子是帶正電的和帶負電的。一種新的中性粒子被發現了！而且它的質量至少為π介子的兩倍，我們叫它K介子。

1949年，布朗的小組發現了帶正電的K+介子的衰變，它會衰變出兩個正電的π+介子和一個帶負電的π-介子。自此之後，新的介子如同雨後春筍一般相繼被發現了，比如ηφρω等。

1950年，又一種中性粒子被發現了，它會衰變成質子和帶負電的π-介子。我們叫它∧。它和質子與中子一樣，同屬於重子家族。隨後，更多的重子，比如∑ΔΞ等重子相繼也被發現了。

這段時間是粒子物理髮展史的一次較大的革命，這裡要說一點，類似於輕子，重子也有一個所謂「重子數守恆」而介子沒有。

新發現的介子和重子被叫做奇異粒子。它們在很小的時間尺度上大量產生同時衰變相對緩慢。這讓我們不得不考慮，它們的衰變和產生的機制是不同的。現在我們知道，這些粒子產生是通過強力，而衰變是通過弱力。

1953年，隨著研究的深入，人們發現了一個巧妙的辦法。給奇異粒子賦予一個新的特性「奇異數」，它在強作用中守恆而在弱作用不守恆。同輕子數一樣，它可以解釋為什麼一些反應不會發生。比如在π與質子撞擊的過程中：

這幾個K攜帶奇異數S=+1，幾個Σ和Λ奇異數S=-1，而普通粒子π、p、n等奇異數S=0，上述反應是可以發生的。但是如果對於衰變反應（弱作用）就不再受奇異數守恆的限制。

從1947年，粒子物理的發展經歷了翻天覆地的變化。它從整潔的花園成長為雜亂無章的叢林，特別是這期間奇異粒子雨後春筍般地萌芽。

到1960年，我們看到，粒子家族雖然被建立起來了，但是它們內部體系卻是混亂不堪的，沒有任何條理性。

雖然每個家族成員都可以通過電荷、奇異數、質量來區分，可正如我們所知，一門學科能否擁有完整的體系，就在於其是否具有一個很好的分類。

正如同元素周期表被創立之前，元素之間的聯繫是混亂的那樣，粒子物理學家期盼著可以像元素周期表一樣，給這些粒子也找一個屬於自己的「周期表」。

到這裡，基本的粒子已經一一浮現在我們眼前了。

粒子之間會碰撞，會湮滅，會散射，會束縛，更多的，還是擦肩而過。茫茫人海中，每天我們與太多的人相遇，每個人都有著各自的方向，彼此互不影響，就像那粒子，飄忽不定，各自有各自的軌跡，究竟是和誰束縛，而終點又是何處呢？

所謂粒子，也無非是我們生活中的縮影罷了。

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