基本粒子

人类从很早以前，就在追寻构成世界万物的本原问题，由此使科学思维与哲学思维相结合，在古希腊、中国 古代及古印度均出现了探讨世界本原的学问——自然哲学。19 世纪初，英国化学家道尔顿（J. Dalton 1766— 1844）创立了近代原子论，此后近 100 年间，在科学界都认为组成物质的不可再分的基本粒子是原子。19 世纪末由于电子的发现、放射性的发现动摇了这一学说。20 世纪初，科学家对原子结构、原子核结构的研究，揭示出原子本身亦有复杂结构，或者说原子也是由更小的粒子组成的。30 年代前，科学界普遍认为原子是由质子、中子和电子组成的，这三种粒子再加上光子，共有四种基本粒子。30 年代后，随着实验技术的不断提高，又发现了各种新的粒子，使人们认识的基本粒子数量、种类不断增加，由此形成了研究微观世界各种粒子性质、运动规律的新学科——高能物理。

1929 年，英国物理学家狄拉克（P.A.M.Dirac 1902— ）建立相对论电子波动方程时，发现除了有两个解对应于已知的电子正能态外，还有两个对应于电子负能态的解，进一步研究后于 1931 年提出应当存在“反电子” 并指出与质子相对应还应当有“反质子”存在。1932 年，美国物理学家安德森（C.D.Anderson 1905—）在宇宙射线中，发现了这种反电子，命名为“正电子”。次年，法国物理学家齐保德（J.Thibaud 1901—1960）和约里奥·居里夫妇发现正负电子相遇会共同湮灭而产生光子的现象。正电子的发现揭示出微观物质世界具有对称性， 1955 年后又发现了反质子和反中子，进一步证实了这一结论。

1931 年，奥地利物理学家泡利（W. Pauli 1900—1958）在研究β衰变的能量守恒过程时，认为有少量能量被不知名的粒子带走，费米于 1933 年提

出β衰变理论，他将这不知名的粒子命名为中微子，并认为在β衰变中中子转变为质子、电子和中微子，质子在适当条件下也会转变为中子、正电子和中微子。由于中微子与其他粒子的作用极为微弱，一直到 1955 年才被实验所探知，并发现了反中微子。这样，在自然界中除了已知的电磁力、万有引力外，又发现了粒子间的弱相互作用力。

1932 年，德国物理学家海森堡（W. K. Heisen berg 1901—1976）为了说明质子与中子结合力产生的原因，提出了交换力的概念。他认为质子与中子间因不断交换 1 个电子，才使二者紧密结合在一起的。1934 年，日本物理学家汤川秀树（1907—1981）发展了这一思想，认为所交换的不是电子而是“介子”，介子是传递核力的媒介粒子，其质量介于电子与质子之间，大约是电子的 200 倍，创立了介子场论，由此预言了自然界第四种力，即强相互作用力的存在。

1937 年安德森等人在宇宙射线中发现了类似汤川预言的介子后，介子理

论引起了科学界的重视， 1947 年汤川预言的介子被发现。

到 1947 年，已知的基本粒子有光子（r），电子及反电子（e，e+ ），

质子及反质子( p，p)，中子及反中子(n，n) ，中微子及反中微子( νμ ，

νμ )，传递核力的介子(π ⁺ ，π⁰，π⁻ )及宇宙射线介子及反介子(μ ⁺ ，μ⁻ )。

由于同步加速器、泡箱及雾室技术的发展。自 1947 年后又发现了许多新粒子，一类比质子、中子重，称为超子（∧、∑、 、Ω），一类比π介子重，称为 K 介子及其反粒子，它们产生的快但衰变慢，所以又叫做奇异粒子。

各种基本粒子在一定条件下可以互相转化，在转化中遵循一定的对称性

（字称）和守恒规律。这些粒子在电磁相互作用和强相互作用下，字称守恒， 在弱相互作用下宇称不守恒（杨振宁、李政道于 1956 年提出）

基本粒子是否存在结构，许多科学家对此进行了多年探讨。1964 年美国的盖尔曼（M. Gellmann 1929— ）发现只要引入三种基础粒子就可以对基本粒子的组成作统一解释。他认为所有参与强相互作用的粒子（质子、电子、超子）都是由u、d、s、及其反粒子u、d、s组成的。他将u、d、s

称为“夸克”。夸克带分数电荷，分别为 2/3e，—1/3e，1/3e。这一模型称为“夸克模型”。

60～70 年代，许多实验都证明夸克是存在的，但至今尚未能探测到自由夸克。对此，有人认为夸克将永远被囚禁在强子之中，称为夸克幽禁，也有人认为现有的高能加速器的能量不足以产生出自由夸克。

70 年代初，有人提出描述强相互作用的新理论——量子色动力学。这种理论认为与电磁场相对应的是胶子场，电磁场的作用量子是光子，胶子场的作用量子是胶子，胶子与电子的静止质量都为 0，光子不带电荷但胶子带有色荷，有 8 种不同色荷的胶子把夸克牢牢地粘合在一起。介子由一个夸克和反夸克组成，正反夸克颜色互相抵消；重子由红、绿、蓝三色夸克组合，合为无色。因此夸克虽然带色，但介子、重子无色，并把人们看不到带色的自由夸克和胶子称为色禁闭。1979 年丁肇中小组的实验首次提供了找到胶子存在的证据。

人类对微观世界的认识正在不断深入，由于粒子加速器是研究基本粒子的强有力的手段，加速器的发展极为迅速。1976 年，由欧洲核研究中心在瑞士、法国边界建成的世界上最大的加速器，直径为 2.2 公里，磁铁重 1.1 万

吨，励磁功率达 1.3 万伏安。它的建成为人类进一步研究基本粒子提供了条件。