夸克是什么

今天早上他又从三双不同的袜子里挑了三只穿上了。

——埃里克·舍维拉尔

我们在上文提到过，有超过350种强子存在，也就是说有350种粒子对强相互作用敏感。大部分这类粒子不是在宇宙辐射中被探测到，就是在第二次世界大战以后利用大型粒子加速器进行的高能物理实验中被探测到。

在1960年代初，有些物理学家认为数量庞大且种类繁多的粒子几乎不可能是基本粒子（即没有内部结构的粒子）。1964年默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别首次提出了夸克理论，将物理学家们的这些推测以正规形式表现了出来。夸克理论的原理是强子可能是混合粒子，由比它们更小的微粒夸克混合组成。由3个夸克组成的强子称为重子。其他的强子称为介子，由1个夸克和1个反夸克组成。

理论家的这一创造在最初几乎没有得到赞同，随后被实验证实后（特别是从1974年开始）夸克理论才逐步得到了学界的承认。最终，它使我们能够非常精确地了解强子的结构。

今天我们知道存在6种夸克，以它们的“味”来区别。夸克的6种味分别由字母u，d，s，c，b和t代表（对应英文里up[上]，down[下]，strange[奇]，charm[粲]，beauty/bottom[底]和top[顶]的首字母）。通过它们，我们就能够重构出已知的所有强子结构。例如，质子是由两个u夸克和一个d夸克组成，这就形成了一个夸克的三元组（uud）。至于中子，它包含着一个u夸克和两个d夸克，这就形成了（udd）。如果我们将一个质子所拥有的电荷数作为单位电荷，那么u夸克的电荷数为而d夸克的电荷数为，而这正好使得一个质子的电荷数为而中子的电荷数为。

反物质

1927年，一位年轻的物理学家，保罗·狄拉克，凭借着自己的才智和唯一的工具，铅笔，开始研究当时物理学上的一个大问题。这个问题容易提出却不容易解答。

从1925年末开始，物理学家们就掌握了一个能够在不同的情况下描述例如电子等基本粒子行为的方程式——薛定谔方程。这是个典型的量子方程式，在计算氢原子中唯一的一个电子可达到的能级时，它总是能够给出正确的结果。但得到正确结果的前提是这个电子的速度只是光速的百分之一。对于速度更快的电子，例如我们能够在宇宙辐射中找到的电子，就不能用薛定谔方程来描述了。因为薛定谔方程没有遵守爱因斯坦的相对论原理：它只对速度比光速慢得多的粒子有效。然而电子虽然是非常微小的物体，但却可以非常敏捷，它移动的速度甚至可以接近光速。当电子的质量很小而速度接近光速时，我们想描述它的状态就一定要将量子物理学和相对论结合。即这一方程式既满足量子的要求，又符合相对论的原理，能够对微观世界进行合理描述，这就是保罗·狄拉克的研究目标。

在一整年的时间里，狄拉克孜孜不倦地工作，已经忘记了外面的世界。1928年冬天的一个晚上，他写出了一个随后一直以他的名字命名的方程式，并确信这是“正确的”方程式。

但这一方程式的一些解有些奇怪：它们对应着带有“负能量”的粒子，这些粒子似乎是不可能存在的。1931年，在艰难的诠释工作以后，他终于隐约地感觉到如果这些负能量存在的话，那么它们描述了一种之前从未被观察到的新粒子，这种粒子与电子质量相同而且带有正电荷。狄拉克于是预言了一种新的微观物体——正电子——的存在，它是电子的反粒子。

1932年，一位年轻的美国物理学家卡尔·安德森在宇宙辐射中探测到了正电子。今天我们知道所有的粒子都有与之相对的反粒子，它们有着相同的质量而所带电荷相反。当一个粒子遇到了它的反粒子，它们的质量会立即完全转变为一种纯能量，随后（很快）这种能量又“物质化”成为其他的粒子和反粒子。

反物质因此得名，并不是因为它与通常的物质“相反”或敌对，而是因为它代表了一种“镜像”形象。于是前缀“反”（anti）在这里的含义与“反殖民主义者”或“去头屑”（antipelliculaire）等词里的前缀含义是不一样的，但它与在“对点”（antipode）^[2]里的前缀含义相似：北极肯定是南极的对点，而看起来它们并不是敌对的关系。

最后，物理学家们意识到这个反物质的存在，是和最基础也可能是最重要的物理学原理相关联的，这原理就是因果性原理，它使得事件在时间轴中按照不可逆转的顺序排列，一旦一个事件已经在过去发生，那么我们将无法再改变这个事件。在狄拉克方程式的解中，负能量的出现最终不过是展示了这一原理的某些结果。方程式在粒子物理特殊的框架中，表达了一件在物理学里无论怎样都不可能发生的事情：回到过去。

夸克的味并不仅仅是将夸克区别开的特征标签。它另外的主要用途是标明夸克通过何种方式的弱相互作用力来相互作用，同样地，它们所带的电荷决定了它们通过什么样的相互作用方式来进行电磁相互作用。例如，弱相互作用能够将一个d夸克转变为一个u夸克，而β衰变的进行则正是由中子（udd）变成质子（uud）。

除了味，夸克还有另一个同样重要的特性，我们称之为“色”。粒子物理学家给这一特征起名为“色”并不是说它真的和真实的颜色一样有着不同的颜色，就像夸克的味也不能说它就是一盘好菜有着不同的味道。夸克完全没有普通意义上的颜色。它们的颜色只是它们所带有的一个标签，这个标签表明了它们强相互作用的作用方式。夸克有三种可能的随机选择的颜色：红、蓝和绿。在质子或中子中，三个夸克中的每一个都有不同的颜色：也就是说有一个红夸克，一个蓝夸克和一个绿夸克。一般来说，质子和中子是“白”的，因为白色可以视作所有颜色的叠加。

根据夸克理论，在实验室里我们只能探测到白色粒子。而夸克有着确定的（白色以外的）颜色，它们不能被分别观测到。我们只能探测到强子，而不能单独探测到夸克。夸克总是被“关”在强子里面。

强相互作用通过胶子的交换将夸克联系在一起，胶子就是这一相互作用的媒介，是强相互作用的球。胶子就像不会断裂的橡皮筋，有一个简单的作用：它们将强子里的夸克“粘上”。胶子有8种。它们也有颜色，它们与夸克相互作用，同时持续交换着彼此的颜色：胶子就是如此让夸克从蓝变红或者从绿变蓝，循环往复，就像非常活跃的三色灯。这种颜色的不停变换使得夸克和胶子纠缠交错，保证了强子（非常短暂的）稳定性。

夸克和胶子，即使用日常用语中的词汇来命名他们的特性（通过这种方式，物理学家希望或许能够不再多增加这一学科中越来越多的抽象概念），它们仍然还是一些奇怪的东西。事实上，夸克和胶子越是彼此靠近，它们受“邻居”的影响就越小，它们熙熙攘攘地拥挤在一个非常小的区域中，于是将它们联系在一起的力几乎降为零。在某种程度上，它们在短距离中变得自由。这点可让那些在高峰期挤地铁的人羡慕坏了……

我们怎样标定“高”能粒子？

物理学家尝试着进行能量尽可能高的粒子之间的对撞。为什么呢？因为投入对撞的能量越高，创造出来的物理条件（即温度和能量密度方面）就越接近宇宙大爆炸之后瞬间的原初宇宙。粒子间的对撞于是可能产生一些能让我们了解宇宙起源的变化。

能量一般以焦耳为单位。但是，为了量化粒子的能量，物理学家使用了另一个更合适的单位：电子伏特，代表一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的能量。在最强大的粒子加速器中运动的粒子的能量约为1万亿电子伏。这是个令人惊讶的数字！粒子加速器会不会是经过乔装打扮后的炸弹？

但是我们刚刚使用的论据并不成立。蚊子的对撞不能让我们学到任何有意义的东西。因为在这种情况中，重要的并不是能量，而是能量的密度，也就是说单位体积的能量大小。然而，一只蚊子由数量惊人的原子和分子组成，它们分散了它的总能量，所以每个组成部分所承载的能量就弱得非常可笑。一个基本粒子却几乎是点状的：如果我们对它加速，能量的增加则完全集中到它微小的体积上。所以这样我们便能达到一个非常高的能量密度，在粒子对撞的时候，就能产生一些少见的现象，例如形成别的地方不存在的新粒子……

在对撞中，粒子会破碎成几块儿吗？

关于物质，我们习惯说“它是守恒的”。这并不是很新的观点。在拉瓦锡的名言“什么也没有创造，什么也没有消失，一切都在转变”中已经有这个含义。这一原理已经奠定了“所有权”的基础：如果我停在街上的自行车在我回来取的时候已经不在那里了，那么我就有权利得出“它被偷了”这个结论。我根本不会认为它可能“蒸发了”，或变得“什么都没有了”。我会想到的只是组成自行车的物质仍然存在，但却被移动到了其他地方。

但在微观层面，这个物质守恒定律正好无效。在日常生活中，当两个物体——例如两个玻璃杯——相互碰撞，杯子就会碎成玻璃片。确切地说，这些碎片曾经是参与对撞的物体的一部分。对撞后没有任何物质是在对撞发生之前不存在的。但是，在微观世界，事情就不是这样了：粒子不会像我们平常理解的那样碎裂。粒子的碎块这一概念本身其实就完全没有意义，我们也不能再用俄罗斯套娃的结构来形容粒子。

在两个高能量粒子碰撞时我们亲眼看到，出现的粒子并不是在对撞前就“已经存在”的。所以它们不能被看作是最初粒子的碎片。正是碰撞的能量本身（即事件中的两个粒子所携带的能量），突然物质化成为新的粒子，并且完全从真空中产生。所以真空并不是虚无，而更像物质在某种意义上的延伸：只要我们给予它很少的能量，它就能够产生它本来已经包含的粒子，只是这些原本就在那儿的粒子是以潜伏的、潜藏的或是虚拟的形式存在，正如我们将在后文中提到的。

通过那些安装在大型粒子加速器旁边的探测器，我们能够观察到，在一些过程中物质的质量并不守恒，而只有总能量保持不变：进入对撞机前的粒子的总能量等于碰撞后出现的所有粒子携带的能量总和。