作者：張?zhí)烊?/a>
回溯量子理論的誕生和發(fā)展，至此我們已經(jīng)反復提到過基本粒子標準模型。雖然宇宙中的基本相互作用可以歸納統(tǒng)一為四種，但實驗觀測發(fā)現(xiàn)的各類粒子越來越多，有好幾百種象“粒子動物園”。那么，科學家們又是如何確定其中的哪些“動物”是“基本粒子”呢？
確立基本粒子概念是還原論的產(chǎn)物。從古希臘開始，哲人們追求“萬物之本”，其中較典型的是“原子派”，認為萬物都是由原子組成的。
什么是萬物之本？
彼原子非此原子也！不同的思維脈絡會得出不一致的結果。從古希臘到19世紀初的英國道爾頓，原子學說經(jīng)歷了約2000年的發(fā)展和變遷，古人思考物質世界的哲學轉型成了完全不同的科學。至1908年，新西蘭物理學家盧瑟福通過散射實驗確立了原子的核式結構——電子圍繞原子核運動的行星際模型。盧瑟福實驗還說明原子核能互相轉換，例如用α粒子轟擊氮原子能產(chǎn)生氧原子和氫核。這促使人們認識到原子核不是最基本的粒子，即原子是由某種更小的粒子組成的。后來人們把這個基本組分命名為“質子”。隨后，科學家們又在1932年發(fā)現(xiàn)了“中子”。于是，質子和中子被稱統(tǒng)稱為“核子”。
對核子的研究導致發(fā)現(xiàn)了強相互作用。因為質子和中子總是被束縛在原子核里面，科學家們猜測一定有某種比電磁作用要強很多的另一種短程作用，才使得帶正電的質子相互不會因為電磁的（排斥）作用而不穩(wěn)定。
自從上世紀30年代開始建造高能回旋粒子加速器，又有新的粒子被不斷發(fā)現(xiàn)。其中包括輕子、介子，還有各種反粒子等。各類粒子日益增多，令人目不暇接。到了60年代，觀測到的不同粒子已達200多種，被人們笑稱為“粒子家族大爆炸”。這個時期的實驗物理學家興奮雀躍，而理論物理學家一籌莫展。
實際上，從上世紀50年代開始，理論物理學就一直充滿了挫折與困惑。40年代末量子電動力學的成功曾給物理理論帶來了一段蓬勃發(fā)展，但在電子光子相互作用上頗為成功的量子場論擬合到“強弱”相互作用時遭遇了困難。b衰變中的弱相互作用按照實驗數(shù)據(jù)建立的四費米子理論只適合低能情況，無法用原來的重整化方法消除無窮大。并且，弱作用還經(jīng)常表現(xiàn)出與眾不同的“不守恒”。此際，三位華裔科學家（李政道、楊振寧、吳健雄）提出并驗證了“宇稱不守恒”。對于強相互作用，當時有一個湯川理論可以消除無窮大困難，但由于相互作用太強，使得具體計算中的微擾論無法應用。這些問題迫使科學家們不得不重新思考，使得對量子場論的研究一度陷于低谷。
隨著日益壯大的“粒子動物園”，物理理論面臨著如同19世紀中期化學家們遇到的困境一樣，物理學急需一個類似于“元素周期表”的“粒子表”。物理學家們通過分類、整理“動物園”的粒子，一直到1970年代才形成標準模型的框架。該模型將大多數(shù)粒子看作是少數(shù)基本粒子的復合粒子，基本理清了“粒子動物園”的混亂局面。
有人說危機就是契機，而歷史總是反復玩弄“危機-契機”的花招來折磨科學家。危機嚇唬的是老一輩，得到契機的是年輕人。量子理論的發(fā)展是一代又一代年輕物理學家爭奇斗艷的歷史，標準模型的建立也是經(jīng)歷了許多錯誤和挫折之后才做出一些重大的發(fā)現(xiàn)。其中具有里程碑意義的主要是引入對稱自發(fā)破缺概念、完備楊-米爾斯規(guī)范理論和建立夸克模型。
在新發(fā)現(xiàn)的眾多粒子中，大都與強相互作用相關，是壽命超短（～10-23秒）的共振態(tài)粒子。它們和中子、質子一起被稱為“強子”。正是因為強子的種類多、相互作用力強，吸引了很多年輕物理學家的研究興趣。
不同于社會發(fā)展史，科學的歷史總是由英雄來描寫的。美國物理學家默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）提出八正法拼湊的夸克模型奠定了強與弱、電統(tǒng)一的基礎。
蓋爾曼出生于紐約曼哈頓，是早年從奧匈帝國移居美國的猶太裔后代。他記憶超群、興趣廣泛、語言能力極強，曾被同學們譽為“百科全書”。他本來特別喜歡花鳥蟲草，各種植物動物，但他最終闖入了理論物理的象牙塔中。
蓋爾曼在耶魯讀本科，麻省修博士，隨后又到普林斯頓研究院呆了一年，那正是愛因斯坦閉門營造統(tǒng)一夢的日子。1952年，蓋爾曼赴芝加哥大學隨費米手下工作，開始對強相互作用感興趣。
默里·蓋爾曼
提出“奇異數(shù)”概念是蓋爾曼研究強相互作用所做出的第一項跨越。當他轉到加州理工學院后，和比他大10歲的費曼在一起成為50-60年代物理界最耀眼的明星。兩位對手的物理思想在激烈的競爭和永無休止的爭吵辯論中發(fā)展成熟起來。恰如溫伯格所說，到那兒去作報告時務必得作好長時間“激戰(zhàn)”的準備！
1954年，楊振寧和米爾斯提出Yang-Mills非阿貝爾規(guī)范理論的初衷是企圖解決強相互作用問題。他們用SU(2)碰到的困難啟發(fā)了蓋爾曼。他意識到粒子動物園的強子太多，其對稱性或許要用比SU(2)更為復雜一些的群來描述。聰明的蓋爾曼選中了SU(3)，這是一個有8個參數(shù)的李群。
蓋爾曼聯(lián)想到佛教術語“八正道”（見圖），而自旋為1/2的重子正好也是8個。于是，蓋爾曼將這8個重子按照奇異數(shù)和電荷數(shù)的不同，排列成了一個正6邊形圖案。圖中的S是奇異數(shù)，表示縱向坐標，斜向的對角線表示粒子具有相同的電荷。蓋爾曼如法炮制，又將不同種類的介子也排成了8個一組的正6邊形，由此得到了他稱之為“八正法”的模型。
蓋爾曼的八正法
他隨后發(fā)現(xiàn)，雖然SU(3)群是8階李群，但它表示的并不只限于8重態(tài)，還有10重態(tài)、27重態(tài)等，這些又代表哪些粒子呢？他起初想把“粒子動物園”中的強子盡可能地都排列到SU(3)群中，后來他意識到不能這樣沒完沒了地排下去，如果再有新的粒子被發(fā)現(xiàn)，哪排到何年何月為止？蓋爾曼還注意到，SU(3)有一個最簡單的3重態(tài)表示，可以考慮SU(3)的其它表示都用3重態(tài)的圖案（圖中的三角形）。于是，數(shù)字“3”經(jīng)常浮現(xiàn)在蓋爾曼的腦海里。
著眼于數(shù)字3與強子的構成有關，蓋爾曼經(jīng)過反復思考，他認為質子和中子是由3個更基本的粒子構成的。蓋爾曼念頭當初讓物理學家們止步的原因與電荷有關，因為這個理論需要假設更“基本”的磚塊具有分數(shù)電荷，比如1/3個電子電荷。可是在實驗中誰也沒見過分數(shù)電荷。然而沒見過的東西不等于不存在。最后，蓋爾曼終于越過了這個“坎”，開始用這些帶分數(shù)電荷的東西來構建理論，并且給它們起了一個古怪的名字“夸克”。它來自于蓋爾曼當時正在讀的喬伊斯的一本小說，蓋爾曼欣賞其中的一句：“沖馬克王叫三聲夸克！”太好了，念起來聲音響亮，含義帶點莫名其妙的色彩，又與數(shù)字3有關，真是一個恰當?shù)拿郑?/span>
在經(jīng)過了多次的反復和猶豫之后，蓋爾曼1964年提出了夸克模型。每個重子由3個夸克（或反夸克）組成，每個介子都由兩個夸克（或反夸克）構成。由于實驗中從未觀察到單獨的夸克，他考慮引入“夸克禁閉”理論來解釋。1968年，斯坦福大學的SLAC用深度非彈性散射實驗證明了質子存在內(nèi)部結構，這相當于間接證明了夸克的存在。之后又有更多的實驗數(shù)據(jù)支持強子夸克模型。1969年，蓋爾曼因為對基本粒子的分類及其相互作用所做的工作，獨攬諾貝爾物理獎。
當然，強子分類也不完全是蓋爾曼一人的功勞，也不是他第一個用SU(3)群研究強子。日本的坂田昌一在50年代就提出基于SU(3)的坂田模型。那時他們將質子、中子和L粒子作為基本磚塊，企圖構成其它的重子。在蓋爾曼提出八正法的同一年（1961年），以色列的內(nèi)埃曼亦獨立地開發(fā)出一套相近的理論。兩人還幾乎同時獨立地用他們各自的理論預言了W-粒子的存在。這個粒子在1964年被發(fā)現(xiàn)，這是對八正法模型的強有力支持。
在蓋爾曼提出夸克模型的同時，另一位出生于莫斯科的猶太裔美國物理學家喬治·茨威格（George Zweig）也獨立提出了類似的模型。當然不是叫夸克，茨威格將其稱為“艾斯”（Aces）。遺憾茨威格后來沒有繼續(xù)物理研究，而是轉向了神經(jīng)生物學。
作為物理學的“元素表”，強作用的八正法夸克模型只是其中的一塊拼圖，尚需要與另外三種相互作用統(tǒng)一起來。然而對于引力的統(tǒng)一科學家視乎還無從著手，而弱、電的統(tǒng)一經(jīng)過重整化已經(jīng)獲得了圓滿解決。
相對于電磁作用而言，強相互作用是電磁作用的137倍，弱作用則比電磁作用要小11個數(shù)量級。
電磁力和引力的作用范圍可以遠至無窮，而強力范圍只在10-15米之內(nèi)，弱力的效應就更小到10-18米之內(nèi)。弱力和電磁力的統(tǒng)一要歸功于1979年的三位諾貝爾物理獎得主以及他們的前輩。
格拉肖和溫伯格是高中同班同學——著名的、有8位校友獲諾貝爾獎（其中7位物理獎）的紐約布朗克斯中學，另一位諾獎得主是巴基斯坦物理學家薩拉姆。
1979年的諾貝爾物理獎得主
格拉肖在哈佛讀博士時，師從著名物理學家施溫格（Schwinger）。施溫格最早提出了電弱統(tǒng)一理論的想法。1961年，格拉肖使用楊-米爾斯規(guī)范理論推廣了施溫格的模型，用SU(2)xU(1)群統(tǒng)一描述弱電作用，但留下了規(guī)范場的質量問題尚未解決。電磁場的傳播子是無質量的光子，意味電磁相互作用的強度隨著距離增加是多項式衰減（勢場變化1/r）。相比電磁力是長程力，短程弱作用的衰減規(guī)律是 e-mr/r，其中的m不為零，是傳播子的質量。
直到1967年學界提出希格斯機制之后，溫伯格和薩拉姆分別獨立地應用希格斯機制發(fā)展出了一種弱、電統(tǒng)一理論（后來被稱為量子味動力學(QFD)）。它確定了電弱統(tǒng)一的規(guī)律由SU(2)xU(1)描述，確定了4種作用傳播子：光子、W＋和W－粒子、Z0粒子。其中W粒子和Z粒子是傳播弱作用的粒子，都具有較大的質量（大于質子質量的100倍）。弱電模型預言的Z粒子引發(fā)的中性流于1973年被中微子散射實驗發(fā)現(xiàn)（于1978年最后證實）。之后，W和Z粒子均在1983年被西歐核子研究中心龐大的超同步質子加速器發(fā)現(xiàn)。另外，Veltman 和他的學生 't Hooft用路徑積分方法也完成了弱電理論的重整化。這些成果都證實或支持了弱電理論的正確性。
當夸克模型抽象為量子色動力學（QCD）之后，不包刮引力的基本粒子標準模型便基本成型了。
按照標準模型，基本粒子是組成物質的最基本單元。這些基本粒子有無更深層次的內(nèi)部結構尚未知，也無法確認是否由其它更基本的粒子所組成。所以基本粒子的概念是隨著科學技術的發(fā)展而改變的。目前，標準模型對粒子的分類如下圖。
粒子物理的標準模型
基本粒子的拼塊（分類）比化學元素周期表看起來簡單多了。
從自旋的角度看，所有的微觀粒子分為兩大類：費米子和玻色子——自旋為半整數(shù)的粒子為費米子；自旋為整數(shù)的粒子為玻色子。
從基本粒子的總數(shù)目看是62種（其中包含一個預設的引力子）。圖中所示的是大框架，主方塊中標出的是4X4=16種基本粒子，12類費米子和4類玻色子。加上這些粒子的反粒子（光子的反粒子是它自身），再加上希格斯玻色子，共61種?？茖W家們夢寐以求的大統(tǒng)一就是要找到第62種基本粒子——引力子。
12類費米子按4個1組，分別成為夸克和輕子的3代家族。只有第一代家族的4個粒子：上夸克、下夸克、電子、電子中微子，才是構成通常可見物質的基本磚塊，其它兩代家族都與常見物質無關，它們被劃分是第一代家族衍生出來的更重的家伙，所以除了專門的粒子學家之外，其他人可以不理會它們，也沒有必要關注它們的存在。
質子和中子屬于復合粒子，沒有被認為是物質的基本單元。它們作為原來被理解的核子其實是由更小更為基本的夸克和反夸克構成的：每個質子由2個上夸克和1個下夸克組成；每個中子由1個上夸克和2個下夸克組成。
比較復雜是4類玻色子（12種），它們是相互作用的傳遞媒介粒子。
在玻色子中，列于最上面的膠子（gluon）用符號g表示，是夸克之間強相互作用的傳播粒子。膠子場是SU(3)群，有8個生成元，因而膠子有8種，膠子的自旋是1。膠子之下是光子，它是電磁相互作用的傳播粒子。電磁場符合U(1)對稱性，U(1)有1個生成元，因而對應的傳播子（光子）只有一種，光子的自旋為1。然后，Z粒子和W粒子是傳播弱相互作用的，共3種。
拼圖的最右上方是希格斯玻色子。它是上帝，專門為它的臣民（所有基本粒子）提供質量，讓它們普度眾生。但上帝沒有去恩賜光子。
