微觀宇宙

1964年蓋爾曼提出了夸克模型，認為介子是由夸克和反夸克所組成，重子是由三個夸克組成。他因此獲1969年物理獎。

原子是由原子核和電子構成的，原子核是由質子和中子構成的，質子和中子是由什麼構成的呢？這的確是輪中之輪！這些新發現的物質的基本構件構成了質子和中子，當時還沒有名稱。蓋爾—曼於是便杜撰了一個名稱——夸克。而這名稱還真的就這麼叫上了。強子是由夸克構成的。古希臘人認為，一切物質都是由為數不多的基本粒子（即他們所謂的“原子”）構成的。這一偉大的原理已被事實證明不那麼好理解。基本粒子是否就是夸克？難道夸克也是複合體嗎？我們一會兒再來討論這個問題。

夸克以兩種構型附着在一起。一種構型是兩個夸克附在一起，另一種構型是三個夸克附在一起。兩個夸克在一起就構成了介子，三個夸克在一起就構成了重子。夸克也有量子能級。能夠通過吸收能量而受激進入較高的級位。受激的強子看上去與其他的強子一樣，於是，很多先前被認為是獨立的粒子被看作是單個夸克結合的受激狀態。

為了解釋所有已知的強子，就必須設想夸克不止一種。在20世紀70年代初，人們設想有三種“味道”的夸克。這三種夸克被異想天開地稱作“上”、“下”、“奇”。後來，出現了更多的強子，又多出了第四種夸克，即“粲”夸克。近來，出現了更多的粒子，人們認為還得有另外兩種夸克：“頂”夸克和“底”夸克。很多種粒子作用都可以藉助詳細的夸克計算獲得系統的瞭解。

夸克理論的基本預設是，夸克本身是真正渾然一體的基本粒子，是一種象點一樣的物體，沒有內部成分。在這方面，夸克頗象輕子，因為輕子不是由夸克組成的，它們本身似乎就是基本粒子。事實上，夸克和輕子之間有着自然的對應，使人們獲得意想不到的機會得以洞見大自然的運作。 夸克和輕子之間的系統聯繫見下面的表1。表右邊一欄是夸克的味道，左邊是已知的所有輕子。要記住，輕子感受到的是弱力，而夸克感受到的是強力。輕子和夸克之間還有一個區別是，輕子或是不帶電，或是隻帶1個單位的電荷；而夸克則帶3分之1或3分之2單位的電荷。

儘管輕子與夸克有着如許的差別，但二者之間存在着深刻的數學對稱，使輕子和夸克在上面的圖表中有了逐層面的對應。第一個層面只有四種粒子：上、下夸克、電子及電中微子。奇怪的是，一切普通的物質竟全是這四種粒子構成的。質子和中子是由3個3個的夸克組成的，而電子只是充任構成物質的一種亞原子粒子。中微子只是跑進宇宙裏，一點也不參與物質的大體構造。就我們所知，假如其他的粒子都突然消失了，只要有這四種粒子，宇宙就不會有多大變化。

亞原子粒子可分為兩大類：輕子和夸克。夸克沒有被發現單獨存在，而是兩個或三個地在一起。夸克的電荷是分數的。一切普通的物質都是由Ⅰ層面的粒子構成的。Ⅱ層面和Ⅲ層面似乎是Ⅰ層面的簡單複製，其中的粒子是高度不穩定的。可能尚有未發現的層面。

下面一個層面的粒子似乎就是第一個層面的複製，只不過較重而已。第二個層面的粒子都極不穩定（中微子例外），它們所構成的各種粒子很快就衰變為層面Ⅰ的粒子。第三個層面的粒子也是這樣。

於是就必然產生這樣的問題：層面Ⅰ之外的其他粒子有什麼用處呢？為什麼大自然需要它們？在形成宇宙的過程中，它們扮演了什麼角色？它們是多餘的贅物？或者，它們是某種神秘的、尚未完全明瞭的過程的一部分？更為令人不解的問題是，隨着將來能量越來越高的粒子加速器的出現，是否也只有這三個層面的粒子？是否會發現更多的或無窮多的層面？

還有一種複雜的情況加深了我們的不解。為了避免與量子物理學的一個基本原則相沖突，我們必須設想每一種味道的夸克實際上有三種不同的形式，即人們所説的“顏色”。任何一個給定的夸克都必須被看作是某種多層電鍍（比喻説法）的疊加，不斷地閃現出（又是一個比喻説法）“紅”、“綠”、“藍”的顏色。這樣一來，一切又看上去象是亂了套的動物園了。但是，收拾局面的方法就在眼前。對稱又來救駕了。不過，這一次的對稱，其形式更微妙，更深奧，怪不得被人們稱作超對稱。

為了理解超對稱，我們就得説説物質基本結構分析的另一個大線索：力。不管粒子動物園有多麼紛壇複雜，其中看來只有四種基本的力：引力，電磁力（因與日常生活密切相關而廣為人知），弱作用力和強作用力。中子和質子之間的強力，當然不可能是基本力，因為中子和質子本身就是複合物而不是基本粒子。當兩個質子相互吸引時，我們實際上看到的，就是六種夸克相互作用的合力。夸克之間的力才是基本力。可以用描述電磁場的方式描述夸克之間的力，而夸克的色就相當於電荷。質子的對應物是所謂的“膠子”，其作用就是我們先前説過的象仿使那樣，不斷地在夸克之間來回跳動，將夸克膠結在一起。物理學家們仿照電動力學，把這種由“顏色”產生出來的力場理論叫作色動力學。色動力作用要比電磁力作用複雜。這有兩個原因。第一，夸克有三色，而電荷卻只有一種，於是，與一種光子相對應的就是八種不同的膠子。第二，膠子也有顏色，因而彼此也有很強的相互作用，而光子不帶電荷，彼此間又是那麼不相干。