物质的秘密：藏在微观粒子里的神奇世界

标准模型立足于少量基本粒子的存在，这些粒子没有已知的内部结构并且是不可分割的。这些粒子分为两类，一类是轻子，一类是夸克。

轻子是什么？

我们将那些保持对原子核内聚力的强相互作用不敏感的粒子叫作轻子。今天我们知道轻子有6种。前3种不带电且质量非常轻：它们是中微子。另外3种是大质量的轻子且带电：电子、μ子和τ子，除了质量和寿命，它们从各方面看都是相同的粒子。μ子是电子质量的206倍，会在几微秒后衰变为电子、中微子和反中微子。τ子则更重，而且寿命非常短暂，只有10-13秒左右。

今天的一切现象都让人认为轻子才是真正的基本粒子，也就是说它们不会由更小的实体构成。得益于粒子加速器，我们可以用极大的能量（是与它质量相当的能量的10万倍）撞击电子，然而我们还从未成功使它“碎裂”成块，也未观察到它的内部结构可能隐藏的构成粒子。

和所有粒子一样，每个轻子都有它的反粒子，与它质量相同而电荷相反。电子的反粒子叫正电子。还有反μ子、反τ子和其他3种反中微子。

夸克是什么？

今天早上他又从三双不同的袜子里挑了三只穿上了。

——埃里克·舍维拉尔

我们在上文提到过，有超过350种强子存在，也就是说有350种粒子对强相互作用敏感。大部分这类粒子不是在宇宙辐射中被探测到，就是在第二次世界大战以后利用大型粒子加速器进行的高能物理实验中被探测到。

在1960年代初，有些物理学家认为数量庞大且种类繁多的粒子几乎不可能是基本粒子（即没有内部结构的粒子）。1964年默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别首次提出了夸克理论，将物理学家们的这些推测以正规形式表现了出来。夸克理论的原理是强子可能是混合粒子，由比它们更小的微粒夸克混合组成。由3个夸克组成的强子称为重子。其他的强子称为介子，由1个夸克和1个反夸克组成。理论家的这一创造在初几乎没有得到赞同，随后被实验证实后（特别是从1974年开始）夸克理论才逐步得到了学界的承认。终，它使我们能够非常精确地了解强子的结构。

今天我们知道存在6种夸克，以它们的“味”来区别。夸克的6种味分别由字母u，d，s，c，b和t代表（对应英文里up[上]，down[下]，strange[奇]，charm[粲]，beauty/bottom[底]和top[顶]的首字母）。通过它们，我们就能够重构出已知的所有强子结构。例如，质子是由两个u夸克和一个d夸克组成，这就形成了一个夸克的三元组（uud）。至于中子，它包含着一个u夸克和两个d夸克，这就形成了（udd）。如果我们将一个质子所拥有的电荷数作为单位电荷，那么u夸克的电荷数为2/3而d夸克的电荷数为-1/3，而这正好使得一个质子的电荷数为1（2/3   2/3 – 1/3 =1）而中子的电荷数为0（2/3 – 1/3 – 1/3 = 0）。

夸克的味并不仅仅是将夸克区别开的特征标签。它另外的主要用途是标明夸克通过何种方式的弱相互作用力来相互作用，同样地，它们所带的电荷决定了它们通过什么样的相互作用方式来进行电磁相互作用。例如，弱相互作用能够将一个d夸克转变为一个u夸克，而β衰变的进行则正是由中子（udd）变成质子（uud）。

除了味，夸克还有另一个同样重要的特性，我们称之为“色”。粒子物理学家给这一特征起名为“色”并不是说它真的和真实的颜色一样有着不同的颜色，就像夸克的味也不能说它就是一盘好菜有着不同的味道。夸克完全没有普通意义上的颜色。它们的颜色只是它们所带有的一个标签，这个标签表明了它们强相互作用的作用方式。夸克有三种可能的随机选择的颜色：红、蓝和绿。在质子或中子中，三个夸克中的每一个都有不同的颜色：也就是说有一个红夸克，一个蓝夸克和一个绿夸克。一般来说，质子和中子是“白”的，因为白色可以视作所有颜色的叠加。根据夸克理论，在实验室里我们只能探测到白色粒子。

而夸克有着确定的（白色以外的）颜色，它们不能被分别观测到。我们只能探测到强子，而不能单独探测到夸克。夸克总是被“关”在强子里面。

强相互作用通过胶子的交换将夸克联系在一起，胶子就是这一相互作用的媒介，是强相互作用的球。胶子就像不会断裂的橡皮筋，有一个简单的作用：它们将强子里的夸克“粘上”。胶子有8种。它们也有颜色，它们与夸克相互作用，同时持续交换着彼此的颜色：胶子就是如此让夸克从蓝变红或者从绿变蓝，循环往复，就像非常活跃的三色灯。这种颜色的不停变换使得夸克和胶子纠缠交错，保证了强子（非常短暂的）稳定性。

夸克和胶子，即使用日常用语中的词汇来命名他们的特性（通过这种方式，物理学家希望或许能够不再多增加这一学科中越来越多的抽象概念），它们仍然还是一些奇怪的东西。事实上，夸克和胶子越是彼此靠近，它们受“邻居”的影响就越小，它们熙熙攘攘地拥挤在一个非常小的区域中，于是将它们联系在一起的力几乎降为零。在某种程度上，它们在短距离中变得自由。这点可让那些在高峰期挤地铁的人羡慕坏了……

但这一自由并非，因为夸克并不能逃离它们所属的混合系统。这一切就像是它们在一座永远不能离开的监狱中获得了自由。因为，当我们想要将一个夸克和与它相互作用的其他夸克和胶子分离开来，进而将这个夸克孤立出来时，我们需要提供的能量随着分离的距离的增加而更迅速地增加。自然不会浪费能量，它更倾向于使用这些能量来创造其他的夸克和反夸克：所有逃离的夸克立即就会披上搭档们的外套而形成新的强子。也就是说，夸克出门的时候总是会穿上衣服，让我们从来不会看到它光着身子。

本书介绍直到*近为止物理学家对原子及亚原子世界的了解，写得简明扼要。作者不忘时时跟古希腊原子论对照，实际上就是跟我们普通人对微观世界的想象对照，格外有助于我们普通读者的理解。