从夸克到宇宙（用粒子物理打开世界真相）（精）

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第三章 夸克和轻子 大胆的想法就像前进的棋子；即便它们可能被吃掉， 但也就此奠定胜局。 ——歌德 鉴于在1950年代和之前几十年期间发现的几百种粒子 ，显而易见的一点是，人们缺少一种统一的原则……即一些 可以给当时的粒子物理学的混乱带来秩序的想法。这种景愿 此前有过很多先例。比如，在化学领域，先有化学元素周期 表，然后是量子力学，解释了很多之前在原子中观察到的奇 异规律。1960年代起，物理学家开始能够厘清他们长期以 来所做的研究工作。在接下来的几十年中，物理学家甚至更 加关注这些想法，而现在，在21世纪的最初几年，物理学 家可以成功地预测他们在实验中观察到的大部分数据。在本 章和下一章中，我们将详细地了解当代物理学家如何看待这 个世界。我们将会看到，在早期的加速器实验和宇宙射线实 验中被发现的上百种粒子如何可以被解释为12种更小的粒 子的不同组合；其中6种粒子为夸克，6种粒子为轻子。 在下一章中，我们将会看到，我们只需要四种力来描 述这些粒子的行为，并且按一些人的算法，这个数字还会缩 减为两种。在过去的几十年中，我们对于世界的理解已经取 得了令人惊异的进展。我们将在接下来三章中将要讨论到的 这套理论和思想称为“粒子物理标准模型”（或者简称为“ 标准模型”）。“标准”意味着它很好用，而“模型”则提 醒我们它还不够完善。尽管众所周知，标准模型并不能回答 所有的问题，但是它很好地解释了迄今为止人们获得的所有 测量结果。这是一项很了不起的成就，即使问题依然存在， 但那只是留给未来的、更进一步的研究和考察的机会。我们 将在第8章中讨论标准模型不能解释的一些问题。尽管标准 模型依然不完善，但它还是为我们提供了对于宇宙本质的深 刻见解，以及对于宇宙其余未解之谜发起奋力“进攻”的强 大基础。 夸克和介子 1960年，粒子物理学的境况令人感到很困惑。人们观 察到了数百种粒子：质量较大的强子，较轻的介子，以及更 轻的轻子。缺少的是一个统一的原则。1964年，两位物理 学家，加州理工学院的默里·盖尔曼和欧洲核子研究组织的 乔治·茨威格分别独立地提出了一个模型作为之前一直缺失 的指引。他们提出设想，如果强子和介子中还包含有更小的 粒子，那么它们的行为模式规律就可以被解释。茨威格将这 些粒子命名为“艾斯”[ Aces，即扑克牌中的A，因为有四 种不同花色，象征四种基本作用。——译注]，而盖尔曼的 命名却最终被物理学领域普遍接纳采用。他将这些粒子称为 “夸克”，是来自詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根的守灵夜》的 一句话：“向麦克老大三呼夸克……”[ 盖尔曼原本想用 鸭子的声音来命名夸克。但这只是一个脑海中的想法，盖尔 曼本来觉得也可以写作“郭克”（kwork），后来他无意中 在《芬尼根的守灵夜》中看到了“夸克”（quark）这个词 ，盖尔曼认为：“由于‘夸克’（字面上意为海鸥的叫声） 很明显是要跟‘麦克’及其他这样的词押韵，所以我要找个 借口让它读起来像‘郭克’。但是书中代表的是酒馆老板伊