黃德揆

去年初，美國(guó)著名的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布：有充分的證據(jù)表明，他們發(fā)現(xiàn)了科學(xué)界企盼了許多年的頂夸克。頂夸克是夸克家族中的巨人，其質(zhì)量竟與金原子差不多，幾乎是質(zhì)子質(zhì)量的200倍。迄今為止，科學(xué)界預(yù)言的6種夸克：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克已全部被發(fā)現(xiàn)。這不僅使蓋爾曼、茲韋格在30年前提出的夸克理論有了個(gè)完滿結(jié)局，同時(shí)又使人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、對(duì)宇宙早期狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，有了新的飛躍。很明顯，夸克，特別是頂夸克的發(fā)現(xiàn)，對(duì)物理學(xué)的未來(lái)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

夸克之由來(lái)

現(xiàn)在我們知道夸克是物質(zhì)組成的基本粒子。就人類目前能達(dá)到的認(rèn)識(shí)水平看，夸克也是不能再分割的基本粒子了。但是在本世紀(jì)60年代以前，物理學(xué)界不是這樣認(rèn)為的，那時(shí)都把質(zhì)子、中子等強(qiáng)子當(dāng)做最小的物質(zhì)微粒。不過也有人持不同意見，例如1949年，著名物理學(xué)家費(fèi)米與楊振寧認(rèn)為，核子才是最小的物質(zhì)物粒。到本世紀(jì)50年代末，蓋爾曼學(xué)習(xí)了楊振寧和米爾斯共同提出的“楊一密爾斯規(guī)范場(chǎng)”理論，仿照門捷列夫排列元素周期表的做法，將當(dāng)時(shí)所知道的100多種基本粒子排成一個(gè)表。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些基本粒子都可以歸納為3種帶分?jǐn)?shù)電荷的新粒子的組合，蓋爾曼稱這3種新粒子為上夸克、下夸克和奇夸克。在此同時(shí)，另一名美國(guó)科學(xué)家茲維克也提出了相同理論。

從上面的介紹我們不難看出，蓋爾曼在解釋未知現(xiàn)象時(shí)，虛構(gòu)了“夸克”粒子，至于它是否存在，也沒有多少人相信。再加上“夸克”一詞難懂，本是英國(guó)作家喬埃斯杜撰的名詞，寓意是海鷗的叫聲。所以“夸克”更難以使人認(rèn)真看待。連蓋爾曼的老師韋斯科夫也反應(yīng)冷淡地說：“我們不要討論這種無(wú)聊的事情?！?/p>

夸克是真實(shí)的粒子

1967年，美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家弗里德曼、肯德爾和泰勒在加利福尼亞州斯坦福直線加速器中心進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。他們?cè)谝慌_(tái)長(zhǎng)3公里的直線加速器上，用高速運(yùn)動(dòng)的電子去轟擊質(zhì)子和中子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些電子沿著很大的角度散射開來(lái)，這說明電子在質(zhì)子和中子內(nèi)部，碰到了非常小、非常硬的東西，這一發(fā)現(xiàn)，與蓋爾曼、茲維克預(yù)言的“夸克”十分吻合，經(jīng)過仔細(xì)分析，它們被證實(shí)是上夸克、下夸克和奇夸克。從此，夸克也堂而皇之地步入基本粒子大家庭了，因?yàn)樗鼈円彩钦鎸?shí)的粒子。

1974年11月，美籍華人科學(xué)家丁肇中，美國(guó)科學(xué)家里克特同時(shí)發(fā)現(xiàn)了第4種夸克——粲夸克。

1977年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萊德曼小組又發(fā)現(xiàn)了第5種夸克——底夸克。隨著底夸克的發(fā)現(xiàn)，理論物理學(xué)家預(yù)言，自然界一定還存在著第6種夸克——頂夸克。

十幾年又過去了，科學(xué)家在美國(guó)、在歐洲的各個(gè)大型加速器中心都沒發(fā)現(xiàn)頂夸克的行蹤。

頂夸克終于被發(fā)現(xiàn)了

去年初，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室終于宣布：第6種夸克——頂夸克已經(jīng)發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樗强淇思易逯械木奕?，所以要發(fā)現(xiàn)它，比發(fā)現(xiàn)其它5種夸克要困難得多，它對(duì)加速器的功率提出了更高的要求，這是它姍姍來(lái)遲的原因。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系公式，只有極高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子與質(zhì)子對(duì)撞時(shí)，才有可能使巨人般的頂夸克偶爾露一下“尊容”。

從1992年8月到1993年5月，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，在一臺(tái)長(zhǎng)約6．4公里的巨型加速器的環(huán)形隧道中，把自旋方向相反的質(zhì)子流和反質(zhì)子流加速到9000億電子伏特的高能狀態(tài)后，讓它們互相碰撞。據(jù)分析。每經(jīng)過1百萬(wàn)次這樣的碰撞，才有可能觀察到一次頂夸克，而且頂夸克出現(xiàn)的時(shí)間只有1024分之一秒，之后又衰變成其它粒子。毫無(wú)疑問，這樣短暫的一瞬，不要說肉眼觀察，就連眨眼都來(lái)不及。不過科學(xué)家是通過監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)質(zhì)子流和反質(zhì)子流的碰撞過程的，而且還要求實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠重復(fù)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)核實(shí)，一切無(wú)誤后，才于去年初正式宣布：發(fā)現(xiàn)了頂夸克，其質(zhì)量約為174兆電子伏特，是質(zhì)子質(zhì)量的174倍。在夸克家族中，它是地道的巨人。這項(xiàng)轟動(dòng)世界的大發(fā)現(xiàn)，肯定也是諾貝爾物理獎(jiǎng)最有競(jìng)爭(zhēng)力的候選對(duì)象。

從蓋爾曼等人提出夸克理論，到最后一種夸克的發(fā)現(xiàn)。已經(jīng)歷了30多個(gè)春秋。人類雖然以自己的智慧，把夸克——一種海鷗的叫聲，變成為實(shí)實(shí)在在的粒子，確實(shí)是功在千秋。不過我們?nèi)杂胁簧傩枰鉀Q的疑謎：頂夸克的質(zhì)量為什么那么大?質(zhì)量的起源到底是什么?夸克為什么只能幽禁在質(zhì)子、中子等強(qiáng)子里面……

這一系列問題仍需要我們?nèi)ッ?、去尋找正確的答案。

(責(zé)任編輯／豐霖)