古希腊人

这个世界极其复杂，由数百万种、数十亿种乃至数万亿种不同物质组成。这种复杂性并未被哲学家与科学家很好地接受，这些人都确信世界的内在简单性。阿尔伯特·爱因斯坦说：“自然界，尽管难以理解，应当既简单又美丽。”一定会有一种或多种基本物质（即物质的结构单元），这些物质结合在一起形成现在这个世界。

泰勒斯（公元前 624 年至前 546 年，古希腊哲学家、数学家、天文学家，“希腊七贤”之一，认为水为万物之本源——译注）确信基本物质为水。的确，为什么不是水呢？基本物质肯定普遍存在，再者将多数物质加热会释放水。水也是可以很方便地变为固态、液态与气态三态中的任何一种的少数几种物质之一。然而，泰勒斯又错了。

后来的恩培多克勒（公元前 490 年至前 430 年，古希腊哲学家、诗人、

医生，持物活论观点，认为万物皆由火、水、土、气 4 种元素所形成，动力是爱和憎，爱使元素结合，憎使元素分离——译注）则同意泰勒斯的观点，然而他认为存在火、水、土、气 4 种元素，这 4 种元素形成万物；后

来亚里士多德（公元前 384 年至前 322 年，古希腊哲学家与科学家，柏拉图的学生——译注）及其拥护者也持这种观点。他认为，物质呈现的形式多种多样，几乎无穷无尽，是这些元素结合的结果。例如，骨头由 2 份土，

1. 份水和 4

   份火组成。恩培多克勒还认为，元素结合需要力，即爱与憎这两种动力。亚里士多德也提出两种宇宙力，即浮力与重力。

公元前 420 年前后，出现了德谟克利特（约公元前 460 年至前 370 年， 古希腊唯物主义哲学家、原子论创始人之一——译注）。他因提出原子论而一举成名；所谓原子是物质能获得的很微小的、互不关联的、看不见的粒子。在闻到新烤好的面包片散发的香味时，他提出这是原子在起作用的设想（在希腊语中原子一词表示“不可分割”）。他是怎样闻到香味的？ 很简单。是因为原子从面包迅速地移向他的鼻子，然而原子太小，肉眼看不到。而且，原子并不完全是面包原子。更确切地说，少量形状不同的原子能以各种不同方式结合成面包、酒⋯⋯或任何其他物质的粒子。有甜味的东西主要由平滑的原子组成。有苦味的东西由轮廓分明的原子组成。液体由圆形的原子组成，金属由互相啮合的原子组成。

尽管现在科学家们并不赞成由各种形状的原子组成物质的观念，然而

他们对德谟克利特的洞察力感到惊奇。这位古代的数学家与天文学家，在不用仪器研究物质构成的情况下提出了非常深奥微妙的概念。德谟克利特说，“没有东西存在”，“除了原子与空的空间以外，所有别的事物仅仅是看法而已”。他说得很对。

接受原子论

然而，要人们接受原子论并非容易，因为原子论向亚里士多德的教诲提出了挑战；亚里士多德认为，物质是连续的，而不是粒子。这种概念假定物质（例如钉子）可以无穷尽地分为更小的部分。而粒子论则假定存在不能再分割的铁粒子。

在以后的几个世纪里，没有出现什么理论能取代原来的气、土、水、火的物活论观点。敏锐的科学家经过仔细研究，将这 4 种元素扩展到包括盐、硫、汞、油、酒精、酸、碱和粘液（人们不能忘记黏液）。亚里士多德的非粒子宇宙观占统治地位，然而德谟克利特关于不可分割的原子的观念不会消失。例如，化学家们发现，如果将气体看作一大群气体原子的话， 能很好地解释气体的行为。元素化合成化合物（例如氢与氧化合成水）， 其重量比恒定不变，使人联想到元素的原子结构。

很多伟大的科学家都同意原子学家的宇宙观，因为能证明物质的基本微粒性质的证据在继续增加。伽利略与牛顿都是原子学家。粒子论看来讲得通。

最后，约翰·道尔顿（1766—1844，英国化学家、物理学家，提出有关气体分压的道尔顿定律、倍比定律和最初的原子量表——译注）于 1808 年将当时大量主要的科学思想纳入一种连贯论（指按各命题间的连贯性检验真理的理论——译注）。那时，化学家们已发现 20 多种元素；他们根据元素的重量将元素排成一张周期表。道尔顿提出，每种元素由其特有的原子及其特有的重量组成。这些原子组成化合物分子，每种化合物都有自身原子的独特混合。例如，水的分子式为 H2O，由水分子组成，每个水分子由键合在一起的 2 个氢原子与 1 个氧原子组成。人们终于搞清楚物质难以捉摸的结构单元。嗯，这样说还不太确切，然而这是个开始。

将不可分的原子分开

在整个 19 世纪，继续发现一系列新元素。到 18 世纪末，已发现大约

50 种元素，每种元素均具有其独特的不可分的原子。后来，X 射线管的试验结果开始令人对原子的不可分性产生怀疑。关于物质结构既美丽又简单的模型荡然无存，引用托马斯·赫克斯利的话来说，这是“科学上的大悲剧”的表现，“一件丑陋的事实扼杀了一种美丽的假说”。

一块广告牌的霓虹灯是一种阴极射线管。一只电视显像管是一种阴极射线管。然而，在 20 世纪，一只阴极射线管仅仅是已抽成真空并充满一种特定气体的一根密封的玻璃管而已。玻璃管每一端配有一金属附件，便于电池通过它发送电流。将电池接好，明亮的窄光束透过玻璃管向外发射。这一结果对科学家们有很强的吸引力，在这之前他们对明亮的光束怎样构成一无所知。

约瑟夫·约翰·汤姆逊在剑桥大学著名的卡文迪什实验室工作。他设法寻找有关答案。他用一些磁铁和带电板极将光束偏转来表明光束的粒子性；粒子有密度并带负电。出人意料的是，无论气体是否在阴极射线管中， 束粒子的质量与电荷保持不变。显而易见，束粒子并非由充满玻璃管的气体原子组成。粒子的质量之小令人吃惊：它比所有原子中最轻的氢原子至少轻 1000 倍。汤姆逊发现了电子。

科学家们不得不接受原子并非不可分这样一个令人吃惊的事实，存在一种更小、更基本的粒子。如果这些带负电的电子是原子的组成部分，那么它们不会是原子的唯一组成部分，因为原子一般呈中性，而且其质量比电子大得多。原子必然还存在一个大得多、带正电的组成部分。汤姆逊认为，原子的绝大部分由这种大的带正电的实体（一块海绵似的面团）组成， 而且电子分散在这一实体中，正好像葡萄干分散在葡萄干布丁中那样。

这种将原子看作无穷小的葡萄干布丁的模型看上去还挺合理，却被欧内斯特·卢瑟福（1871—1937，英国物理学家，生于新西兰，因对元素衰变的研究获 1908 年诺贝尔化学奖。1911 年，他通过 a 粒子散射试验发现原子核，并据以提出核型原子模型——译注）的一项试验无情地否定；这项试验是史无前例的伟大科学试验之一。卢瑟福是一位才华横溢的新西兰人，19 世纪末 20 世纪初他在放射性这一新发现的现象中做了大量工作。并因此荣获 1908 年诺贝尔化学奖。这一发现也为他所作出的最伟大的发现

（发现原子核）创造了条件。下面将扼要地介绍他是如何发现原子核的。卢瑟福知道，放射性物质发射不同的粒子。其中一种粒子叫 a 粒子。

它是由镭等放射性物质发射的。a 粒子是密度相当高的带正电的射体。如果 a 粒子射中一张薄金箔，就应当正好穿过布丁似的金原子。可是金原子具有其自身的负电荷与正电荷，会使 a 粒子略微偏转。在记录这些轻微偏转的基础上，可在一定程度上确定金原子的性质。

为了检验自己的假设正确与否，卢瑟福将一小块镭放在一个带小孔的铅容器中。他将小孔对准一片薄金箔。将金箔完全围住的硫化锌屏蔽在被a 粒子击中时会闪亮。这时，他需要做的全部工作就是坐下来观察屏蔽上哪些部位出现闪亮。

正如预测的那样，多数 a 粒子要么正好穿过金箔，要么略有偏转。但有极少的粒子（约八千分之一）实际上是从金箔弹回。正如他后来所说的， 这些现象使他大吃一惊。“这是有生以来我遇到的简直最难以置信的事件。这好比您向一张薄纸发射一发 15 英寸的炮弹，它返回来击中您。”

必须再度修改原子模型。到 1911 年，卢瑟福提出经改进的新模型。原子并不是布满很小的电子的一团海绵。电子根本不是嵌在布丁中，而是绕着位于原子中心的一个很小、密度很大的原子核高速转动。卢瑟福提出的关于原子结构的理论认为，这种结构是在核子与旋转的电子之间只有空的空间的极小的太阳系。这种理论取代了汤姆逊提出的关于原子结构的葡萄干布丁设想。那么，这一空间有多大呢？利昂·莱德曼在他撰写的《神粒子》一书中作了以下比拟：“为了了解卢瑟福所说的原子，如果我们将核子比作豌豆大小（其直径约为 1/4 英寸），原子则是半径为 300 英尺的一个球。”

对，说得对，一块实心的钢块有 99.9％空的空间。只有亚原子粒子之间静电力的相互作用才会造成固体的错觉。

卢瑟福及其课题组成员尚未大功告成。卢瑟福的学生之一欧内斯特·马斯登发现：原子核由更小的粒子组成，这些粒子的质量几乎比电子大 2000 倍，但其电荷大小与电子相等，而方向相反。这些粒子名叫质子。

氢原子的原子核只有一个质子。质子组合而成为较重的原子核。 1932 年，即发现质子之后 12 年，英国物理学家詹姆斯·查德威克先

生发现了原子核内的第二种粒子。这种粒子的质量与质子的质量几乎相等，但呈电中性，因而取名中子。看来，中子发现后就可以全面地勾画原子：特别重的质子与中子组成密度很大的小小原子核，特别轻的电子绕原子核旋转。量子论有助于确定绕原子核有多少电子。人们已经最后揭示了物质最基本的破坏不了的粒子的秘密。这种说法对吗？错啦。更基本的粒子还有待发现，人类在经历发现它们的历程中迈入物理的现代时期。

探索更基本的粒子

在发现原子核及组成原子核的粒子中起关键作用的因素是放射性元素镭。罗伯特·克里斯与查尔斯·C·曼合作撰写了一本题为《第二次创造》的书，引用他们的话来说：

剑桥大学卡文迪什实验室中的这 1 克镭正是揭示更基本的粒

子的秘密的精品⋯⋯将这 1 克镭放在用铅砖砌成的一种炉子内； 这个炉子放在实验室顶部围有蒙皮的塔内。放置镭的特别重的匣子被视若圣坛；只有得到信任的极个别的人可以靠近它。

用镭衰变过程中释放的 a 粒子轰击原子核，揭示原子核的亚原子性质。然而，卢瑟福及其学生曾经成功地采用的这些粒子实际上其内能很低。尽管运用足够大的能量可以促使从原子结构看显得肥大的原子核破裂，并揭示原子核的组成，但是探索质子与中子本身的结构则需要运用能量大得多的粒子；而这些粒子将从粒子加速器获得它们的能量。

这些装置只有一个目的，那就是将电子与质子等带电粒子加速，然而将一种粒子轰击成另一种。粒子的运动速度越高，其拥有的能量越大，它们探测靶核的效果就越好。工作程序并非特别深奥。有一位物理学家将这项工作比作“将两块十分精美的瑞士手表一起打碎，接着通过迅速散开的嵌齿轮与螺丝来设法搞清楚这些手表是怎样设计的”。

50 年代，美国斯坦福大学的罗伯特·霍夫施塔特将一束能量较低的电子瞄准一桶液氢。电子轰击只有一个质子的氢原子核，而自身则偏转或散射。科学家利用散射图就不仅可以确定氢原子的大小，而且还可以确定质子的正电荷分布，这是一项荣获诺贝尔奖的成就。

1968 年，利用能量高得多的电子束重复了这项试验，出现了区别十分明显的质子图像。这是分辨率更高的图像；据利昂·莱德曼说，从这一图像中“可见到有 3 个十分小的东西在质子内部各处运动”。显而易见，甚至质子都不是实心的，并非不可分，并不是最基本的粒子。

这 3 个很小的东西是能证明夸克存在的真实性的最早的试验证据。在这之前的数年前，荣获诺贝尔奖的理论家默里·盖尔曼就设想过夸克的存在，但他认为夸克只是数学构造而已。夸克每 3 个一组进行“交往”让他想起了詹姆斯·乔伊斯撰写的《芬尼根的行踪》一文中的一句话：“用作集合标志的 3 个夸克”。因此，他将粒子称作夸克。当时多数物理学家认

为，盖尔曼设想的夸克与乔伊斯写到的夸克是一个意思。立刻有越来越多的人谈起夸克。

60 年代以来作了很多试验，让电子与质子相撞，让质子与质子相撞， 让质子与反质子等其他亚原子相撞。粒子的速度与随后由此产生的能量稳定增长。由于开展这些高能碰撞研究，力求获得基本粒子图像的散射研究才能逐渐成为研究重点。然而，粒子加速器已作出的成绩远不止这些。以接近光速实现这类碰撞已完成了令人吃惊的另一项业绩：这些碰撞已创造了以前从未见过的一系列新粒子⋯⋯这些粒子多达数百种，科学家们将其称作核粒子园。

这种情况是怎样形成的？上帝难道不是能造就一棵树或一种基本粒子的唯一的神吗？上帝与粒子加速器。根据爱因斯坦提出的 E＝mc2 方程（该方程表示创造很小的质量，需要很多的能量（参阅《一切事物都是相对的： 狭义相对论》一文），高能粒子碰撞时，它们的能量可变为质量。能量更大的碰撞能产生更大的粒子。其中多数粒子不稳定，稍纵即逝。量子理论家们认为，空的空间充满大量的这类粒子；在以足够大的能量作瞬息碰撞时，这些粒子时隐时现。可是，为什么会有那么多不同的粒子呢？

我们来谈谈夸克，将这 3 种夸克变为盖尔曼的夸克。盖尔曼指出，将

上夸克、下夸克和奇异夸克这 3 种不同的夸克组合可以形成核粒子园的所有粒子或几乎所有粒子。如果他说得对，夸克确实就是自从德谟克利特以来，每个物理学家一直都在寻找的那些“原子”。

盖尔曼说得对，然而，他提出的模型并不完全。70 年代，又发现 2 种夸克，叫粲夸克与底夸克。（您喜欢这些名称吗？）最后，科学家们于 1994

年在费米实验室利用世界上功率最大的粒子加速器发现第 6 种夸克，这很可能是最后一种夸克（费米实验室的粒子加速器设置在从伊利诺斯州的芝加哥驱车 1 小时即可到达的地点。这台加速器是由管径比消防水管还窄的

不锈钢管组成，它被弯成长 4 英里的圆环，埋在一块经过改建的玉米田下

面 30 英尺处。这台加速器蜿蜒穿过上千个电磁体；这些电磁体引导高速运动的质子与反质子发生对头碰撞。与这台加速器相接的是一个十分庞大的、重 5000 吨、高 3 层楼的碰撞探测器设备。这是任何文明社会已建造的设备中最大的一种）。

现在，这 6 种夸克已成为所谓的标准模型的一部分。

标准模型

建成这种模型是一大胜利，是物理学探索、发展历经 2500 年以来的最伟大的成就。这是得到实验证明的理论上的一项伟业；简而言之，它对创世大爆炸（一些学者认为，这次爆炸发生于 100 至 150 亿年前，宇宙由此形成——译注）以来存在的所有事物以及目前的所有事物都作出了解释。总之，它说明了宇宙是怎样形成的。根据斯坦福模型，物质是由夸克和轻子这两类基本上不同的粒子组成的。

夸 克

前面已谈到，有 6 种夸克（即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、

底夸克和顶夸克）以及名字起得稀奇古怪的味（味指一种用以区分不同类型的夸克及不同种类的轻子的性质——译注）。各种不同的味实际上指量子力学性质，因为所有夸克的味道都好得很，犹如童子鸡（每种有味的夸克有 3 种不同“颜色”，反映量子上的很小差别）。

夸克包括又大又重的基本粒子。实际上，顶夸克特别大，重量为质子的 200 倍，与整个金原子几乎一样大。夸克之所以难以发现，根据 E＝mc2， 它的形成需要很大的能量。有意思的是，只有在普通物质中才能发现上夸克与下夸克。质子由 2 个上夸克和 1 个下夸克组成。中子则由 2 个下夸克

和 1 个上夸克组成。其他味则 2 个～3 个为 1 组结合成粒子加速器的粒子园的奇异的产物。（来自空间的高能辐射叫宇宙射线，在其轰击地球时， 产生自然界的异常粒子。宇宙射线主要由质子组成，它与大气的原子碰撞， 产生短寿命的异常粒子。通过研究宇宙射线轰击发现了第一个反物质粒子，即正电子或反电子。）

决不会单独发现夸克，尽管在创世大爆炸大量爆发热量与能量时，单个的夸克则有可能存在不到一万亿分之一秒。

轻 子

轻子是质量轻的基本粒子。正如夸克的情况一样，也有 6 种轻子。其中包括电子、μ子和τ子（所有这些粒子基本上相似，只是质量不同）以及 3 种完全无质量的粒子，叫中微子。在所有轻子中，只有电子是普通物质的组成部分。

这就是关于夸克的基本情况。当然，您很想知道，一种夸克为什么总是与别的夸克结合。或者开灯时，灯泡为什么会亮。或者棒球被唐·马丁利的球棒打中为什么行程为 400 英尺。为了了解这些现象，我们必须更仔细地考察另一类粒子，即传送力的粒子。对，事情变得越来越离奇。

但愿力能与您常在

宇宙有 4 种基本的力。我们都熟悉其中的两种力，即电磁与重力，因为我们日常生活的世界中发生的现象都与它们有关。然而，在亚原子级， 其他两种力在起作用。这两种力是强相互作用与弱相互作用。强相互作用将夸克结合在一起，甚至将质子与中子一起留在原子的原子核中。弱相互作用促使放射性衰变以及某些粒子的分解。

就标准模型而言，这些力之所以令人感兴趣，是因为它们都由名叫玻色子（以 20 世纪印度数学家和物理学家 S．N．Bose 的姓命名——译注） 的基本粒子起中介作用。可使夸克黏在一起的强互作用得益于一些粒子， 把这些粒子称作胶子较贴切。借助于胶子，夸克似乎起到亚原子热土豆的作用，那就是将夸克有效地结合起来。光子是电磁力的介体。受热物体发光，是因为被激励的电子放射出光子。磁铁吸引一块铁，是因为两者之间交换光子。在中外场打本垒打，挥出的球棒将飞来的球弹回或打掉，是因为在击球过程中进行了光子交换。

弱相互作用由以下 3 种粒子起中介作用，即带正电的 W 粒子（W+粒子），带负电的 W 粒子（W-粒子）和 Z 粒子。尽管它们都是力，而不是物质粒子，

但是 W 粒子和 Z 粒子都有质量，而且多少有点物质。这 3 种粒子的重量分别约为一个质子的 80 倍。50 年代，理论上提出的 W 粒子与 Z 粒子到 1983 年才在试验中证实。只是到那时才能够在粒子加速器中产生足够的碰撞来产生这样大的粒子（请记住：E＝mc2）。

这样一来，我们就有了重力，即在有质量的物体之间存在的万有引力。这个力比电磁力弱 1041 倍，确实是个 1041 倍棘手的问题。重力的介体是一种名叫引力子（指由理论推导得出的一种假设作为引力场量子的粒子—— 译注）的粒子。迄今人们尚未发现这种粒子，也许是因为这种粒子太大， 也许是因为这种粒子并不存在。物理学家并不喜欢重力，因为他们尚无法让重力服从他们的意志。只有重力一种力的方程不完全符合其他 3 种力所拥有的量子数学式。为此，物理学家们很伤脑筋；物理学家们认为，所有这些力互相有关，它们实际上就是创世大爆炸之后 1054 分之 1 秒极其短暂地存在的那个唯一的力。冷却将力分离，正如冷却将物质粒子分离那样。

尽管存在重力，标准模型仍然起作用，还挺管用。此刻，该模型只是不完全而已。重力不是唯一失踪的粒子。很多物理学家都认为，存在一种神秘的伙伴，叫希格斯(Higgs)玻色子，这种玻色子与各种其他粒子相互作用，使这些粒子具有质量的特性。诺贝尔奖金获得者利昂·莱德曼将希格斯玻色子称作“神粒子”；他认为，这种玻色子的发现对了解神、宇宙和一切事物来说是至关重要的。

据称，使用超导超级对撞机是为了发现希格斯玻色子。这种超级对撞机应是一台长 54 英里的环形加速器，其功率比现有任何对撞机高数倍。然

而，美国国会认为，这台超级对撞机造价 110 亿美元，太昂贵了，终于在

1993 年 10 月，这个项目被放弃了。也许您还记得这一事件。这一时刻，粒子物理学家所作的努力在失望中消失殆尽，但是他们又在作新的努力。爱因斯坦寻求他所说的“世界既简单又清晰的形象，即一项原则就可

以说明各种力与形形色色的粒子之间令人迷惑的差异”。从某种意义上说， 我们目前对宇宙的了解，在这方面是失败的。即使在宇宙最基本的一级， 有 6 种夸克、6 种轻子和 5～6 种的力粒子。每种夸克有 3 种不同颜色，8 种不同的胶子，而且每种物质粒子都有其反粒子，因而共有 60 种基本粒

子。今后是否会揭示组成这 60 种粒子的更小的、更基本的粒子？物理学家们不相信这种前景。我认为，他们决不会在丹尼家吃饭。

（黄海元 译）

书 名 火星：我的第二家园

编 著 者 [美]巴里·E·齐然尔曼戴维·J·齐然尔曼

责任编辑 左衡

出版发行 江苏人民出版社经 销 江苏省新华书店地 址 南京中央路 165 号邮政编码 210009

印 刷 者 扬州印刷总厂

开 本 850×1168 毫米 1/32

印 张 9.125 插页 2 印 数 1—10170 册字 数 232 千字

版 次 1998 年 3 月第 1 版第 1 次印刷

标准书号 ISBN 7—214—02145—5/G·662

定 价 12.60 元

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