宇宙的最小砖石

为了介绍中微子的不平凡身世，我们首先要明白什么是基本粒子。

我们眺望周围世界，一切都是那样美好：灿烂的星空，皎洁的月光，鲜艳的花朵，啁啾的小鸟；同时大自然的变幻又是那样神秘莫测，那么绚丽纷繁：四季的更替，雷电的咆哮，陨石雨的辉煌，物种的代谢。自古以来，这一切都激发着先民们难以遏制的好奇心和永难满足的求知欲：

我们的宇宙（天、地、日、月、星、辰等）是从哪里来的？又是如何演化的？

我们的大地（地球）构造如何？为何有那么多沧海桑田的变化？

生命如何起源？人类如何起源？怎样进化为今天的人类？

对于这些问题的追索与探求，导致宇宙学、天文学、天体物理学、地学、生命科学、人类学等学科的诞生与发展。但是，一个最基本、最重要的问题却是：

我们周围的物质世界是如何构成的？到底构成物质世界的砖石中，有没有最小的砖石（即再也不能剖分它们）存在？

一种意见是，没有。我国古代名家学派代表、战国时代的哲学家公孙龙说：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”就是说，一尺长的棒子，每天截掉一半，永生永世也不能截完。这种意见，实质上认为物质是无限可分的。

另一种意见是，存在最小的砖石。世界上万物均由这些不可分割的“微粒”构成。用我们战国时代著名哲人惠施的话就是“至小无内，谓之小一”。即最小的物质单元没有内部结构，叫做“小一”。古希腊哲学家德谟克利特继承他的老师留基伯的思想，创立了著名的“原子论”。原子（atom），希腊文的原意是不能再分。

德氏原子论认为，自然界存在土、水、气和火4种元素，相应于4种形状、大小都不同的原子（如火原子是球形的）。这些原子的不同组合与运动，似乎可以合理地解释许多自然现象，如水的蒸发、香气的弥散，乃至宇宙的形成等。

大约比希腊原子论稍后，我国古代大思想家墨子在《经说》中关于“小一”、“原子”的思想，说得更明确，更生动了。他称这些最小砖石为“端”，宣称“端，体之无厚而最前者也”。又说原子具有“非半”的性质。即是说“端”是不能剖分的物质的始原质点，其本身是没有大小的。这不就是惠施的“小一”、德氏的“原子”么？不就是今日的基本粒子的定义么？

德谟克利特（公元前460～前370）

“基本粒子”一词，是拉丁语“elementaryparticle”，其原义就是始原、不可分、最小和最简单的物质单元的意思，实际上是“原子”、“小一”和“端”的同义词。不过随着岁月的流逝，科学的发展，“小一”与“端”没有被采用为科学名词，“原子”一词已演化为一个特定的物质层次，其本义倒渐渐隐没在历史的风尘中，而原来的“小一”、“端”和“原子”的角色，倒是由“基本粒子”一词来承担了。

但岁月的流逝，尤其是近代科学的兴起，使人们变得比较聪明起来。人们感到上述两种观念似乎都有道理，但都有所不足。

就人类认识能力而言，对物质微观的认识是无限的，而且就微观结构来说呈现“梯级结构”模式。用著名的英国物理学家戴维斯的话来说：“物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由电子和原子核构成的，原子核是由中子与质子构成的。”

现在科学家们已经知道，中子与质子等是由“夸克”构成的。许多人相信，随着实验手段的改进，有可能发现更为基本的微观层次。这种认识的深化和递进，永远不会有终结的。这不就是惠施所说的“万世不竭”么？

然而，就一个时代，限于实验手段和其他种种局限性，人类的认识是有阶段性的。就这个意义上说，每个时代都会有为数不多的真正基本粒子，浑然一体，不可再分，是一切物质的建筑砖石。

如果说“原子”作为基本粒子的桂冠，直到19世纪末才卸下来，持续2000余年，而中子和质子一类强子有此桂冠都不过半个世纪而已。今日基本粒子的桂冠由谁戴着的呢？

物质的微观结构不同层次

答曰：“主要是两类：中微子与电子一类的轻子与夸克。也许还包括光子、胶子等一类的媒介粒子。”这些粒子的具体性质我们以后还会介绍。至于还有许多理论预言但尚未发现的粒子，我们都置而不论。

夸克及探测轻子

粒子物理，或对于“始原”粒子的探索，始终是自然科学尤其是物理学最重要、最富于挑战性的领域。世纪之交评选有史以来最伟大的物理学家，经过世界范围认真评选，上榜名单是：爱因斯坦、牛顿、伽利略、麦克斯韦、卢瑟福、狄拉克、玻尔、海森堡、薛定愕、费曼（次序是作者任意排定的）。大家可以看到，其中至少有7个人与粒子物理有关，或者就是现代粒子物理学的鼻祖。基本粒子物理学在物理学乃至整个自然科学中所占的地位，由此可见一斑。