無限小的粒子世界

文‧圖／林志隆

　凡是我們日常所看到、感覺到的事物都有它的規律性。理論物理學家最重要的工作，是找出事物的規律性；而實驗物理學家的責任，則是驗證理論學家所提出來的規律性。大部分的科學家，都希望能用一套簡單的規則來解釋世上紛紛擾擾的許多現象。所以從古至今的科學家和哲學家們，都希望能夠找出物質，甚至宇宙的基本組成。歷史上的先賢先哲在幾千年前就已經懷疑，如果把物質不斷切分的話會不會有終極？而整個基礎科學也就沿著這樣的路線不斷發展。

　回顧歷史，早年的科學家發現分子的存在算是邁出了一大步。隨後的科學家發現分子其實還不是物質的最基本結構，因為分子還可能會發生變化，所以一定是比分子更基本的結構重新組合，才會發生分子變化的事。舉例來說，像碳酸鈣這種粉末一般是非常穩定了，可是如果把它滴上一些酸液，就會發現它被酸液腐蝕冒煙產生氣體和其他殘留物。這表示這些分子結構已經發生了重組，才會出現不同的產物。在這樣的發展下，於是人類發現了原子的存在，並由門得列夫整理出「週期表」這個規律性。藉助於原子這個簡單的規則，人們就很容易理解所有化學反應的發生。 可是，物質的基本元素有將近一百種（現在已經超過一百多種了），其實一點也不基本。加上當時對於電磁學的研究，早已經發現原子並不是真正的不帶電，而是處於正負電相等的平衡狀態，所以科學家們就興致勃勃的希望把原子分解得更徹底。這個研究的結果分成幾個階段慢慢地被人們挖掘出來。 首先是原子中有帶正電也有帶負電的結構。科學家發現帶負電的部分質量很小，而且是單獨一個一個的出現，它們叫做「電子」。而帶正電的部分，則佔了原子的絕大部分質量，而且所有正電荷都集中在叫做「原子核」的部分裡面。於是原子就被分成帶正電的「原子核」跟帶負電的「電子」兩個部分。

　可是，科學家又發現雖然電子的質量跟電荷成一定比例，幾個負電荷就是幾倍質量，但帶正電的原子核就不是這樣子。原子核的電荷加倍的時候，它的質量通常不只增加1倍，所以一定還混雜了一些不帶電的東西才會變得這麼重，於是就有人提出了不帶電的「中子」和帶正電的「質子」的觀念。中子一直到1930年代初期才被物理學家找到，這個發現直接推動了原子彈的積極研發。

　到了第二次大戰結束之後，由於美蘇積極發展核武。因此雙方都投入大量的人力跟財力於基礎物理的研究。而基本粒子的研究直接關係到核武的設計跟發展，雙方的投入更是不遺餘力，於是各種粒子加速器就像雨後春筍般的建造，而許多新的粒子也陸陸續續被發現了。當時實驗室發現新粒子的速度非常快，所以曾經有個笑話說，有一位理論物理學家辛辛苦苦的寫好論文，當他投入郵筒走回辦公室翻閱新到的實驗報告時，赫然發現他的新理論已經被推翻了。 由於當時發現的「基本粒子」實在太多了，一時好像又回到元素「週期表」發現前的混亂局面。當然就有很多人聯想到這些「基本粒子」會不會像當初的「基本元素」一樣，其實是由更基本的粒子組合而成的？於是在1960年代開始出現了「夸克模型」（quark model）和「部分子模型」(parton model)來解釋質子、中子、其他粒子及更小結構的問題。由於這些粒子的確在質量以及電荷等性質上有明顯的規律性，因此夸克模型以及部分子模型的觀念對這些粒子的特性預測得很成功，提出這些模型的科學家並因為當時有個實驗室宣稱發現了夸克而獲得諾貝爾獎。雖然後來發現這個實驗其實是個烏龍事件，不過這個獎絕對沒有頒錯。因為，即使實驗室一直沒有直接找到單獨的夸克，但是在間接事件上的實驗結果卻不容我們否定夸克的存在。因此，夸克模型主宰了近三十年來粒子物理的發展主軸。 早期研究中子、質子結構時所提出的夸克模型只用到兩種夸克，一種是帶1/3單位負基本電荷(-1/3)的下(down)夸克，另一種是帶2/3單位正基本電荷(+2/3 )的上(up)夸克。質子是帶+1單位電荷，所以它是由兩個上夸克（共+4/3）加上一個下夸克(-1/3)所組成的，合計是2×（2/3）+（-1/3）= +1。而中子是不帶電的，所以它的組合方式是兩個下夸克（-2/3）加上一個上夸克(+2/3)所組成的，合計是2×(-1/3) + (2/3) = 0（圖1）。這兩個夸克一般都取英文字母第一字簡寫成u (上)和d (下)夸克。而質子和中子可以分別用P（質子）=（uud）和N（中子）=（udd）來表示其組成方式。

　但是，很快的實驗物理學家就發現有些粒子無法用這兩個夸克的組合來解釋。因為有些新粒子的性質跟質子、中子很像，可是帶著（-1/3）基本電荷的卻不是下夸克，而是一個質量大了非常多倍的未知夸克。所以他們自然就推測這是一個也是帶（ -1/3）基本電荷的新夸克，這個夸克就被命名為「奇(strange)夸克」簡寫為s。之後陸陸續續又發現了魅夸克（c）、底夸克（b）和頂夸克（t）。第三位獲得諾貝爾獎的華裔科學家丁肇中博士，就是因為證實了魅夸克的存在而獲得諾貝爾獎的。

　除了夸克以外，還有一類被稱為「輕子」的粒子，這一類粒子以電子為代表。其實電子很早就已經被發現了，後來量測其質量的時候發現它的質量只有質子的1/1836而已。後來陸續又發現了比電子重大約207倍的「渺子」（μ muon）和3484倍的「淘子」（τ tauon），當初會稱為輕子是因為電子太輕了，可是這些第二代跟第三代的輕子其實還是很重的，只是比起同一代的夸克輕而已。所以叫做輕子已經有點名實不符了，不過約定俗成，大家還是稱它們為輕子。

　剛剛提到第幾代第幾代的粒子，這是高能物理學家的一種分類說法。因為這些基本粒子太多了，所以物理學家就把它們按照其各種特性分類，以便記憶跟比較。整體來說，所有的粒子先分成傳遞各種作用力的「規範子」(gauge boson)跟構成物質的「粒子」，粒子這一類裡面又分「輕子」跟「夸克」兩種家族，而輕子跟夸克又可以用帶電荷數各分成兩型。像輕子就可以分成中性的「微中子（ν neutrino）型輕子」跟帶 -1個基本電荷的「電子型輕子」。每一個家族中又有3個成員，所以我們稱為有三「代」。像電子型輕子依質量大小順序就有「電子」、「渺子」和「淘子」三代，而微中子型輕子也有對應的「電子型微中子」、「渺子型微中子」和「淘子型微中子」三代，微中子的質量到目前還是一個未解的謎。1998年5月日本神岡山實驗室曾宣稱找到了微中子有質量的間接證據，不過確實情況如何，仍有待其他實驗室的複驗才能確定。

　至於夸克則分成上、下型夸克兩個型。上型夸克依照質量大小有「上up」、「魅charm」和「頂top」三代夸克，它們都帶+1/3基本電荷，其中的頂夸克質量遠超過其他粒子，一直到1994年才被實驗室找到。下型夸克則有「下down」、「奇strange」和「底bottom」三代夸克，它們都帶有-1/3基本電荷。以下我們先把這一些基本粒子做成表1說明。 剛剛提到在粒子之外還有一些做為作用力傳播媒介的「規範子（或規範玻色子）」（gauge boson）。目前已知的基本作用力有「重力」、「電磁力」、「強作用」和「弱作用」4種，所有作用力都經由規範子的媒介傳遞，就好像植物之間要靠風力、昆蟲等媒介傳遞一樣。在這4種作用力中強作用最強，電磁作用次之，弱作用再次之，重力作用最弱；但是強作用和弱作用都是屬於短程的核作用力，所以一般生活中不會感受到它們的存在。表2把各種作用力的規範子整理出來供大家參考。

　目前粒子物理所能探索的最小結構只到夸克和輕子，作用力則只到4種作用力。但是，根據以往數千年來的經驗，很多人都不同意這些就是宇宙最終的基本原理，所以探索宇宙最終真理的努力一直沒有停止過。不過，基本粒子的探索這幾年遇到了嚴重的瓶頸。由於探索的粒子越來越小，所需的加速器能量越來越高，經費自然跟著水漲船高。現在全世界幾乎沒有一個國家能夠獨立負荷建造粒子加速器的費用，即使是美國也在前幾年因為負擔不起而中止了新超導超級加速器（SSC）的建造，以前那種天天有新發現的美好時光似乎已經不再了。不過，歷史的法則告訴我們，沈寂常常是另一次大突破的前兆。也許，讀者中有很多人將會親身參與物理學上的另一次大突破呢！

圖1.質子和中子的組成方式	圖2.量子色動力學的基本構想
	雖然夸克模型非常成功，可是實驗物理學家始終無法把夸克單獨分離出來，他們只能找到1個正夸克跟1個反夸克的介子(meson)和3個同正或同反夸克組成的強子(hadron)。這種一定要搭配出現的現象使物理學家很困惑，最後科學家們只好歸納出它的一些特性，成為一個叫做量子(quantum)色(chrome)動力學(dynamics)的理論。這個理論假設所有的夸克都帶有某種量子數，他們戲稱它為顏色，因為它們的組合就好像三原色色光的組合一樣。假設每個夸克都帶有三原色中的一種顏色，而自然界可以出現的粒子一定要是白色的，所以夸克只能跟帶著互補色的反夸克一起組合成無色的介子；或者，它也可以由分別帶有三原色的3個夸克組成強子。這樣的理論其實只是描述夸克組合的行為特性，並沒有解釋色動力學的真正原理。不過由於粒子物理是還在成長中的新學問，我們還有太多不清楚的事情要去研究、釐清，這樣的研究才會有新意。

表1.已知的基本粒子可以分成兩個家族（細分為4種型）、每型各有三代。夸克家族從不單獨出現，一定是成雙（一正一反）或3個一群一起出現；輕子家族則很獨立自由，尤其微中子只參與「弱作用」和「重力作用」兩種很微弱的作用力，因此非常難觀測和研究。至於型與型之間最明顯的差異在於所帶的電荷數，而代與代之間的差異則在於質量大小。

表2.已知的4種作用力與傳播的媒介子。目前電磁和弱作用已經可以用一個SU（2） U（1）的規範理論統一描述。將電、弱作用和強作用統一的「大統一場論」已經有點進展，但仍有待努力。重力作用雖然是人類最早認識、研究最久的作用，但卻是理論物理學家最傷腦筋的一種作用力。目前試圖將重力和其他作用力統一在一個理論中的努力似乎都還沒有找到大突破。