10分钟读懂粒子物理到底是如何诞生的

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10分钟读懂粒子物理到底是如何诞生的

2018-04-09 梁天宇 中科院物理所

本文来自公众号：超级数学建模

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物质本源

探秘粒子世界

粒子物理是研究最基本粒子的一门学科，换句话说它是从最小尺度说明了物质构成的问题。

在物理界，一般获取粒子的方法是通过加速器，让粒子以极高的能量相互碰撞，从而将粒子“打碎”，直到碎片在我们现有的条件下不能再碎，我们就认为那就是目前我们已知的最小粒子。

除此之外，更多的粒子则来源于高能宇宙射线。也因为粒子的获取需要极高的能量，因此它还有一个别称——高能物理。

其实呢，在最开始的时候，粒子物理又叫做基本粒子物理，顾名思义就是研究构成物质最基本的微粒。但是随着人们认识的不断深入以及加速器的能量不提高，以前的基本粒子其实可以被“打碎”为更加基本的粒子，因此索性就去掉了“基本”二字，称之为粒子物理。

北京正负电子对撞机

探寻世界的构成

这个世界自从有了人类开始，就不断在对这个世界进行探索。从生活中常见现象的规律，到规律内部所包含的更深的原理，在历史的长河中，逐渐浮现在我们面前。但是，人们在这个世界上生活了这么长时间，谁又能对“世界到底是什么”给出一个准确的答案呢？尽管唯物主义和唯心主义各有各自的观点，但不可否认的是，他们都提到了两件事-物质和意识。

我们首先从物质开始说起。

一尺之棰，日取其半，万事不竭。早在古时候，我们的先人就思考，物质的最小单位是什么？就好像城墙是由砖一点一点垒成的，物质这面“墙”有没有自己的“砖”呢？其实，这个问题不仅引发了哲学上的思考，更推动了科学家们的兴趣。

1897年，J.J.Tomson（汤姆孙）发现了阴极射线会被磁铁偏转，而根据磁性以及偏转方向，他发现这个射线应该携带负电荷。

接下来他又发现，所谓射线，其实是由许多粒子构成的，与其叫做射线，不如说是粒子流。进而汤姆孙测出了他们的荷质比（电荷与质量的比值），这个比例比那时候任何已知的粒子都大很多。这说明，这种粒子要么具有极大的电荷，要么具有极小的质量。这就是我们现在所说的电子。

汤姆孙和他的阴极射线管

汤姆孙正确猜测了电子是原子的成分，并认为电子就像“面包里面的葡萄干”，镶嵌在原子核上面。但是他的模型被Rutherford（卢瑟福）著名散射实验否定了。通过散射实验，卢瑟福提出了著名的原子核式结构模型。其中，带正电荷的成分主要集中于原子核上，卢瑟福称之为质子，电子分布于原子核的外面。然而，原子核式结构模型并不是完美的，比如在极大角度和极小角度散射实验，结果与理论严重不符。

到了1914年，Bohr（玻尔）提出了氢原子是由一个电子环绕一个质子的模型，就好像行星绕太阳运动，拥有一个轨道一样，电子因相反电荷作用而被束缚在了一个轨道上。利用早期的量子理论，玻尔的模型可以解释氢原子光谱，且实验与理论符合很好。自然而然地，之后的原子应该是由更多的质子，以及他们束缚更多轨道的电子组成。

然而不幸的是，仅仅第二号元素氦，虽然有两个电子两个质子，质量却是氢原子的四倍。这说明原子核内除了质子和电子，显然还存在一种物质（或者微粒）。直到1932年，Chadwick（查德威克）发现了一种中性粒子，现在称之为中子。他的质量和质子差不多，占据了原子重量的一部分。至此，人们才算认清楚原子内部的结构。

化学反应的基本单位是原子，不过物理学告诉我们原子其实有更深层的结构。但是，人们对于物质的认识还没有停止，之后人们对于物质的探索，又是一个怎样的过程呢？在进行深入讨论之前，我们先去观摩一场旷日持久的“战役”。

熟悉又陌生的光

时间要回到17世纪。那个时候，物理学家们就光的本质展开了一场大规模战役。

首先，以Newton（牛顿）为代表的粒子派和以Huyghens（惠更斯）等人为代表的波动派就打得不可开交。两大门派互相拆台，他们都各自有各家的镇山之宝。粒子派的法宝就是光的折射、反射和直线传播等，如果把光看作粒子，这些轻易就可解释。波动派的法宝是光的干涉、衍射等。

杨氏双缝干涉原理图

这场争论持续了很久，最终以波动派胜利而告一个段落。

但是事情到此远没有结束。

1900年，人们在试图解释黑体辐射现象时产生了荒谬的结果。Rayleigh-J.H.（瑞利-金斯）用推导出来的公式去拟合黑体辐射的图，在长波段（低频）区间符合，但是在短波段（高频）区间产生了一种陡然上升的趋势！因此他们拟合的公式导致了严重的“紫外灾难”。为了避免这场灾难，Plank（普朗克）在拟合实验曲线时，提出了可以假设电磁辐射能量是以一小份的形式辐射的猜想，即：

E= hν

其中h是普朗克用来拟合数据的一个常数，其值为：

h＝6.626×10^(-27) erg·s

ν为辐射频率。

普朗克并不知道为什么要量子化，但是他的拟合公式，却很好地符合了黑体辐射图形，尽管他自己并不认为自己的解释是正确的，同时他也在想办法找出一个新的理论推翻自己的假设。

1905年，Einstan（爱因斯坦）向前推进了更基本的观点，他认为量子化是电磁场本身特性而与辐射机制无关。于是他用普朗克的想法去解决光电效应，即电磁辐射撞击金属表面，电子会被打出来，造成电流表指针偏转。他提出了打出来的电子的能量与频率的关系：

E= hν-W₀

显然这个公式，在把光量子化的同时，也把光粒子化了。

之后的20年内，爱因斯坦不得不为光量子而斗争。这使得粒子派重见天日，波动派的江山还没坐稳，就不得不面对这个严酷的事实。

争斗的局面一直僵持着，最后这场僵局由Conpton（康普顿）于1923年的实验打破。

康普顿发现，光对一个静止粒子散射会让其波长改变，这叫做康普顿效应。对于康普顿效应的解释，如果我们把光看成质量为0的粒子，同时类比于处理普通弹性碰撞问题去处理它，那么这个问题也就迎刃而解了。这个结果直接说明了光在亚原子尺度上的行为更像一个粒子，我们称之为光子。

粒子派无疑又看到了希望。但是两个门派总是这么打，也不叫个事，搞得物理学界“腥风血雨”。两家就不能不计前嫌，握手言和么？充当这个调解员的人是de Brogile（德布罗意），他巧妙融合了波和粒子的关系，波长是描述波的物理量，动量是描述粒子的物理量，他们之间通过普朗克常数连接，即：

p=h/λ

这样一来，波和粒子就有了联系，光既可以表现粒子性也可以表现波动性，同时对于任何物质也一样，既可以是波，也可以是粒子。这就是波粒二象性。德布罗意因此获得了诺贝尔物理学奖。

尽管一开始光量子不被物理学家接受，但是在量子场论中发现了光子的归属，并且让我们重新认识了电磁作用。

在经典力学里面，我们把两个电子相互排斥归结于它们的电场，而在量子场论里面，电场是通过光子量子化的。因此，我们可以把电磁相互作用归因于两电子之间相互往来的光子，即电子可通过交换彼此间的光子实现跃迁。。与此同时，对于任何非接触性的力都可以通过交换某种“物质”来解释。

在经典理论中我们认为场是一种媒介，作用于一定的距离。而现在我们认为，它是通过粒子交换（媒介）来实现的。在电磁作用里面，媒介就是光子。顺带一提，四种相互作用里面只有引力作用媒介粒子没有发现。

随着对光的认识的同时，导致了一门新的物理学科的诞生-量子力学，同时也引发了一场革命性的轰动。

对于光的本质的战役落下帷幕，然而我们站在经典与量子之间，对于物质的认识又该何去何从呢？也许接下来所要说的强作用会给我们答案。

神秘的强力媒介

在我们了解了原子的结构之后，不知道大家有没有考虑过这个问题，为什么带正电的质子会聚集在一起？

按理说由于相同的电荷互相排斥，它们受到排斥力不应该在一起，而应该彼此远离才对。所以，我们不禁会想，在这里面肯定有一种比排斥力更强的力量把它们束缚在一起。在过去物理学家叫它为强力。但是自然界如果真有这么强大的力，我们为什么感觉不到呢？这是由于，强力虽然强，但却是一个短程力。这意味着只能在很小的尺度上感受到它。

第一个著名强力理论由汤川秀树于1934年提出的。

汤川秀树

假设质子和中子通过某种场而相互吸引，根据之前的内容，这个场应该是量子化的。那么其量子性质又是怎样？我们上文提到了光子，并且说到每一种作用力都应当有一种媒介。因此对于强力来说我们需要一种粒子，交换这种粒子以导致强力的特性。例如，这种短程作用，粒子应该很重。经计算，汤川得到了一种质量约为电子质量300倍的粒子。因为其质量介于电子和质子之间（电子被叫做轻子，质子被叫做重子，我们以后会涉及到），故而被称作介子（这不是一个严谨的做法，后面我们会更正）。

由于汤川计算出的粒子当时并没有被发现，所以他对他的计算结果保持怀疑态度。但是，随着宇宙线研究的进展，1937年这种粒子在宇宙射线被发现。而且这种粒子数量还是相当的庞大，实际上当你在看这篇文章时，每隔几秒就会有这种粒子轰击你。

但是事情并没有那么一帆风顺。随着对宇宙射线更深入的研究，人们发现这些粒子寿命比汤川预言的要短很多，而且不同质量的测量显示出粒子间不自洽。

作为汤川预言的传递粒子，它与原子核的作用应该很强，但是1946年在罗马证明了这种来自宇宙射线的粒子与原子核的相互作用实际上很弱。

一项决定性的工作，直接否定了汤川的预言。不过这还不是定数，时间不长，1947年这个谜团就解决了。人们发现实际上宇宙线里面有两种粒子，分别是π和μ。真正的汤川介子是π，而μ是一个和强作用无关的打酱油的。然而强力并非如此，真正的强力应该由更加基本的粒子-胶子来解释。

我们通过光揭开了电磁力的面纱，通过π介子看到了强力的影子。到这里，我们已经走上了粒子物理发展的轨道上了。

正如我们所述，那时的人们正在逐步从原子往更深入的层次探索，在物质之间的联系上，人们也认识到了相互作用中的媒介。在历史的长河中，人们对于世界的好奇心，正是推动我们世界不断向前发展的动力。即便这个过程一路坎坷，但是我们的世界还是在向前发展的。

目前人们对于世界的认识还在继续，并且将永远进行下去。当然随着我们认识的深入，认识世界将是越来越难的事情，所以，我们还有好多东西要学。