寻找自由夸克

我们生活在一个物质世界，形形的物质充斥着我们的视线，但是仅仅凭借肉眼或者经验，我们只能把握很小一部分的物质世界。以宏观而论，宇宙中存在我们无法看到甚至难以想象的“宏大”物质：以微观而论，我们身边就有同样既不可能看见也无法想象的“微小”物质。近代第一个站得住脚的物质结构理论，是1804年英国化学家道尔顿提出的“原子论”。这种理论认为，形态多样、表现迥异的各种物质，是由某些极其微小、不可再分割的原子所组成的。道尔顿第一次以科学的名义把这一古老哲学思想肯定下来。1811年，意大利化学家阿伏伽德罗提出了“原子，分子学说”，补充了道尔顿的原子论。他认为原子是参加化学反应的最小粒子，分子是物质能独立存在的最小粒子。可惜的是，这个理论竟然惨遭冷落达50年。1860年，意大利物理学家康尼查罗利用更加丰富的资料，再次清晰地阐述了原子．分子论，终于得到举世公认。后来，这样一种观念几乎牢不可破：物质是由分子组成，分子由原子组成，原子是不可分割的。

原子真的是不可分割的吗?这同人们早就有的“无穷小”概念不符合。比如，中国古代就有一个物质可以无限分割的命题：“一尺之锤，日取其半，万世不竭。”不过话说回来，要突破原子的界限，必须拿出可靠的实验证据。19世纪后半叶，人们在研究真空放电管时，发现了一种阴极射线。这种阴极射线究竟是什么呢?当时人们的看法各种各样，莫衷一是。在经过了近半个世纪的探索后，英国科学家汤姆逊最终确认：阴极射线其实是一种比原子小得多的粒子――电子。

电子的发现打破了原子不可分割的古老神话。既然有比原子更小的粒子，那么原子的结构就可以破解了。不久，人们通过实验又发现，原子是由极其微小但又占据了原子绝大部分质量的“原子核”和绕原子核旋转的“电子”所组成：原子的结构正像行星围绕太阳旋转的太阳系结构一样。

下一步是分割原子核。进一步的实验研究揭示，原子核是由更基本的两种粒子――“质子”和“中子”所组成。与此同时，科学家又发现了与质子、中子、电子属于同一层次的为数不多的几个粒子。于是，一些物理学家认为，人类关于物质构成的探索，到此可谓“大功告成”。原来，物质就是由一个层次接一个层次的粒子构成的。物理学家们把这些粒子命名为“基本粒子”，把它们看作是组成物质世界的“基石”。然而，实验研究的发展，再一次否定了物质分割有极限的思想。大量寿命极短的不稳定粒子的出现，促使人们去考虑：所谓的基本粒子是否是由更深一层次的粒子所构成的?

当时，人们把基本粒子分作两类，一类是“轻子”(包括电子、中微子等)，另一类是占据基本粒子家族绝大多数的“强子”(包括质子、中子等)。后来的实验既然发现强子仍然具有内部结构，那么顺理成章地，所谓“基本粒子”也就不再“基本”。

1964年，美国科学家盖尔曼等人提出“夸克模型”。他们认为，所有的强子都是由若干种叫做“夸克”的更深层次的粒子组成。西方人将这些粒子称为“夸克”，中国人则常常又称它们为“层子”。顾名思义，层子是相对电子、质子、中子这些基本粒子来说的，它属于“下一层次的粒子”。盖尔曼等人认为夸克带“分数电荷”，它们被禁闭在强子内部，不能脱离强子自由运动。

夸克模型出现之后，又有人提出夸克是物质分割的极限。因为夸克被禁闭在强子内部，本身也无法直接观察。然而，对大自然的好奇心，促使人们对夸克是否还有“内部结构”这个问题产生浓厚的兴趣。目前的迹象表明，夸克和轻子可能是由某些更为基本的粒子所组成，夸克和轻子之间具有极大的对称性。根据目前的理论，夸克可分为三代，每代有两种(不计反夸克)，它们分别是(u，d)、(c，s)和(t，b)。轻子也有三代，每代也有两种。如此多的粒子表明，即便夸克和轻子，也不可能是物质分割的“最小单元”。但是从1964年至今，人们还没有“看到”过夸克的真实面目。在盖尔曼提出的夸克理论中，他假设存在三种夸克。他用这三种夸克及它们的反粒子来说明微观粒子构成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理学家至今还不能使夸克脱离其他微观粒子而独立存在，它只能像犯了错误而被关禁闭的士兵那样，被幽禁在微观粒子中。所以，“夸克禁闭”成了当今粒子物理学的难题之一，这对哲学中关于物质无限可分的观点，也是一次严峻的挑战。近半个世纪以来，物理学家为了寻找自由夸克，绞尽了脑汁。每当一台新的高能加速器建成以后，首要的任务之一就是试图找到夸克。有的物理学家把微观粒子想成一只口袋，夸克永远被裹在这只口袋里一一在这口袋的小范围内，它可以自由飞翔，但决不许脱离这个口袋。就是这个神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永远隔离开来。也有的物理学家把微观设想成一口半径很小又很深的“井”，夸克过的就是这种“坐‘井’观天”的生活。在“井”里它们都相当自由，运动速度也不快，可就是跑不出去。人们必须提供极大的能量，才能把它从“井”底拉出来。但是目前人们还没有办法产生这么大的能量，使夸克获得“解放”。

既然不能直接找到自由夸克，一些物理学家就改变了策略，企图间接地搜寻它。因为根据理论推测，夸克带有所谓的“分数电荷”，这使物理学家看到了一线希望。他们认为只要找到了“分数电荷”的携带者，那也许它就是夸克的化身了。因此物理学家在粒子加速器、陨石、月球、地下深井和海底等许多地方“张罗织网”，到处寻找具有“分数电荷”的粒子。

目前探测夸克结构和轻子结构的实验都在进行中，但未取得进展。考虑到原子和原子核的线度相差10万倍，因而可以预言夸克的结构最多只能在10-20米的尺度上显示出来；但目前的实验只能探测到10-17米的线度，因而夸克究竟是否有“内部结构”，至今还是一个谜。