囚禁在樊笼中的夸克(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：张镇九

出版社：河北科学技术出版社

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囚禁在樊笼中的夸克试读：

前言

大至宇宙，小至分子、原子、夸克，新奇如暗物质、暗能量，人们对自然界各种各样的物质和千奇百怪的现象充满着好奇，总想探索个究竟。物质由分子、原子组成，原子又由原子核与核外的电子组成，原子核由质子和中子组成。那么，质子、中子又由什么组成？现在的理论和实验研究的结果告诉我们，质子是由3个夸克组成，中子是由另外的3个夸克组成。夸克有奇怪的性质。带电方面，我们知道，一个电子带一个负电荷，一个质子带一个正电荷，而夸克有带三分之二个电荷的，还有带三分之一个电荷的。夸克还有“色”和“味”的特性。“味”的特性，这不是指什么“甜夸克”、“苦夸克”或“酸夸克”，……，而是称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克共6种。除了“味”的特性，还有不同的“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并不是指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的不同物理属性。红、绿和蓝叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，加上它们对应的反粒子共有36种夸克。自然界中发现的质量比电子大但是比质子小的粒子称为介子，它是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的。有些恒星在演化末期可能演化成夸克星。

2013年，诺贝尔物理学奖颁给了发现“上帝粒子”（即希格斯玻色子）的二位科学家。这种粒子是所有基本粒子包括夸克的“质量”之源。

现在科学家们认为，不存在自由的单个夸克，夸克都是被囚禁在粒子内部的。因此说夸克是囚禁在樊笼之中。

既然夸克被囚禁在樊笼之中，那有办法将夸克从樊笼之中解救出来吗？夸克是最基本的粒子吗？夸克又是由什么组成的呢？这就涉及一个问题：

宇宙诞生的极早期，可能就存在着夸克。一种理论认为，早期宇宙产生了一种新粒子X和它的反粒子它们在可见部分结合成为夸克，在“隐匿”部分组成为暗物质。

2011年诺贝尔物理学奖颁给了“通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”的三位科学家。而宇宙的加速膨胀预示宇宙中可能存在看不见的“暗物质”和“暗能量”。据科学家预计，“暗能量”占宇宙总质量的73%，还有23%是看不见的“暗物质”。我们现在能够观测到的物质，只占4%。如果是这样，我们对宇宙的看法将大大改观。张镇九2014年8月

一、构成物质世界的最基本砖块

中国古代诗人屈原（约公元前340～前278）有句名言：“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”人类在追寻真理和科学探索中会有许多问题要问，最大的问题是“宇宙有多大？”最小的问题是“世界上最小的物质粒子是什么？”结果发现，宇宙最早期有夸克产生；我们现在所知道的世界最基本的构成成分有夸克。先看看我们祖先是怎么看世界的。

●祖先眼中的世界

阴阳八卦与大自然事物相对应

中国古时候认为世界上最基本的是阴阳，即阴气与阳气的合称。这源自人们的自然观。古人观察到自然界中各种对立又相联的大自然现象，如天地、日月、昼夜、寒暑、男女、上下等，归纳出“阴阳”的概念。早至春秋时代的《易经》以及老子的《道德经》都有提到阴阳。《道德经》里面说：“道生一，一生二，二生三，三生万物，……”这是从宇宙起源角度谈阴阳。这里“道”的意思是道路、方向。当混沌水汽从无序运动转向有序运动，就等于车辆上了正道，开始向目的地前进了。这种在正道上的有序运动导致了太极的诞生。太极就是“一”，它诞生于混沌从无序运动转向有序运动的那一时刻。太极一诞生，随后而来的就是天地的出现。天地就是“二”，就是阴阳。天气下降、地气蒸腾，二气相合，其结果就是人的诞生。人就是“三”。“三”也包含万物生灵，人是万物生灵中最灵者，是它们的总代表。随后世界万物在阴阳交互作用中世代交替，保持种群和数量的平衡。阴阳理论已经渗透到中国传统文化的很多方面。“太极思维”是《易经》的主要观点，“无极生太极，太极生两仪，两仪出四象，四象化八卦，……”。“两仪”就是阴阳。“四象”是指青龙、白虎、朱雀、玄武，分别代表东西南北四个方向。古时候用一长横“—”称为“连”和两短横“——”称为“断”这两个最基本的因素合起来表示；两个最基本的元素进行三种不同的结合而成为八卦，即二的三次方等于3八，即2=8。太极图又称“太极鱼”，黑白两条小鱼的形状代表阴阳。白鱼头的部分与尾的部分与黑鱼的尾和头相补充，合起来成一个圆。而且，黑鱼的眼睛是白的，白鱼的眼睛是黑的，说明阴中有阳，阳中有阴。这都说明，一分为二和合二为一。你中有我，我中有你。阴和阳，在不同情况下，可以有不同的含义。例太极图如，正电与负电；粒子与反粒子；物质与反物质；吸引与排斥；物质与暗物质；能量与暗能量。质子和电子所带的电荷是基本电荷的整数倍，正负不同，而夸克所带的电荷是基本电荷的分数倍（三分之一或三分之二），也有正负之分。

下面的八卦图，中心是太极图。周围分布着八个方向和八卦，与表示时间的24小时（中国古代的12个时辰），和东、南、西、北等方向相对应。

首先，八卦用八个汉字表示，这八个汉字的读音接着用拼音标出，卦的形状也形象地用文字写出，接着的三个数字是二进制表示，括号中的文字说明方向，最后的字是代表与它相对应的自然界的事物。八卦就是：

乾：三连111（西北）天，

坎：中满010（正北）水，

艮：覆碗100（东北）山，

震：仰盂001（正东）雷，

巽：下断110（东南）风，

离：中虚101（正南）火，

坤：六断000（西南）地，

兑：上缺011（正西）泽。

用现代计算机二进制代码0与1表示，八卦是三位二进制，共有八卦。两卦同时用，称为“复卦”，共有64卦。

阴、阳与“连”、“断”以及二进制的0、1联系起来，更有很多意义。

例如，一枚硬币有两个面，一枚硬币就如同一个卦，硬币的两个面就对应八卦图阴和阳。抛掷硬币，阴阳两面中的一面朝上的概率为1/2。连续抛三次，再连续抛三次，如此继续下去，各种情况都逃不出下面的8种情况：

阳阳阳，阳阳阴，阳阴阳，阴阳阳，

阴阴阳，阴阳阴，阳阴阴，阴阴阴。

第一种情况是三次阳，第二、三、四种情况都是只出现一次阴两次阳，但是出现阴的先后不同；第五、六、七种情况都是只出现一次阳两次阴，但是出现阳的先后不同；第八种情况就是三次阴。

这就是用连“—”和断“——”表示的八种情况，即八卦。

要是用两个卦，最多就有64种情况。这就是“复卦”。

单卦如一只鞋子，分阴和阳两面，如鞋子分鞋底和鞋面，与0和1相对应。一双鞋子的左右两只，每只鞋子又有正反两面，这就形成“复卦”。在科学上，这属于概率论，与“占卜”不一样。将它与宗教，或者与迷信联系起来，那是另外的事。

五行是构成万物的最基本元素

比“阴阳”更具体一些的观念是“五行”。五行是中国古代的一种物质观。五行指：金、木、水、火、土。五行学说认为宇宙万物，都由金木水火土五种基本物质的运行和变化所构成。它强调整体概念，描绘了事物的结构关系和运动形式。如果说阴阳是一种古代的对立统一学说，那么五行可以说是一种原始的普通系统论。《五帝》篇中记载：“……天有五行，水火金木土，分时化育，以成万物。”宇宙间一切事物都由五行相互作用而产生。“行”是自然的运行。

五行中有生命活力的是木，生命需要由水才能成长，“水生木”。人类最早取得的人造火种是钻木取火，所以“木生火”。

生命走到尽头，木燃烧后只剩下一堆灰烬，故“火生土”。

土属中性，蕴藏着各种矿藏，故相生与相克“土生金”。

古人从金属表面发现冷凝水珠，“金生水”。

这就是水生木→木生火→火生土→土生金→金生水的循环状态。

大地一定要植树（木），用大树的根来稳固土质，大雨来时才不会土质流失（土），大雨会造成水灾就必须用土来保卫家园（水），古时家园的门口都要摆个大水缸，下雨时备水以备火灾时可灭火（火），为保卫家园及家中煮饭生火必须有刀枪斧头器皿（金），生火需要用锯子斧头来劈柴（木），这自然的相克制衡的道理就是木克土→土克水→水克火→火克金→金克木。

八卦与五行的关系

前面说过，在八卦中，八卦与自然界的事物的对应关系是：乾—天，坎—水，艮—山，震—雷，巽—风，离—火，坤—地，兑—泽。

与五行金、木、水、火、土对照，可以看出上面已经包含水和火，泽也是水，山和地都是土，将天干、地支结合起来，八卦和五行都以阴阳为基础。

这里，我们来一个小提示：

宇宙间一切事物都由阴阳相互作用而产生。“行”是自然的运行。五行认为大自然由五种要素所构成，随着这五个要素的盛衰，而使得大自然产生变化，不但影响到人的命运，同时也使宇宙万物循环不已。这些与现代的基本粒子中的物质的基本结构如何相联系？后面我们将要讨论到，基本粒子可以分为两大类，一类是费米子，一类是玻色子。玻色子和费米子正好和中国古代的阴阳太极思想一致，即阴是玻色子，是物质存在的基础；阳是费米子，是物质存在的形式。我们现实世界的存在就是以阴的存在为基础而表现出阳的形式。

至于“五行”观念，到现代就扩展了。我们来看看是如何扩展的。在元素周期表中扩展到118种；在基本粒子中扩展到62种。先从元素周期表说起。

●世间万物由什么构成

人们经过两千多年的探索，产生了元素周期表。元素周期表揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来分析比较，组成了一个完整的自然体系。最初的元素周期表是门捷列夫研究出来的，后来又经过许多学者的补充和修改，才成为现在的元素周期表。

门捷列夫，1834年2月7日出生于俄国的西伯利亚，1907年2月2日卒于彼得堡。1848年入彼得堡专科学校，1850年入彼得堡师范学院学习化学，1855年取得教师资格，并获金质奖章，毕业后任敖德萨中学教师。1856年获化学高等学位，1857年首次取得大学职位，任彼得堡大学副教授。1859年他到德国海德堡大学深造。1860年参加了在卡尔斯鲁厄召开的国际化学家代表大会。1861年回俄国科学家门捷列夫彼得堡从事科学著述工作。1863年任工艺学院教授，1864年，门捷列夫任技术专科学校化学教授，1865年获化学博士学位。1866年任彼得堡大学普通化学教授，1867年任化学教研室主任。1893年起，任度量衡局局长。1890年当选为英国皇家学会外国会员。1907年2月2日，这位享有世界盛誉的俄国化学家因心肌梗死在圣彼得堡与世长辞，终年73岁。

1869年，门捷列夫将化学性质相似的元素放在同一纵行，编制出第一张元素周期表。随着科学的发展，原来的元素周期表中未知元素留下的空位先后被填满。现在以原子的核电荷数（等于核外电子数），形成现行的元素周期表。每一种元素都有一个数字编号，数字大小恰好等于该元素原子的核内质子数目，这个编号称为原子序数。现在已经发现的元素共有118个。

原子的核外电子排布和性质有明显的规律性，科学家们是按原子序数递增排列，将电子层数相同的元素放在同一行，将最外层电子数相同的元素放在同一列。元素周期表有7个周期，16个族。每一个横行叫做一个周期，每一个纵行叫做一个族。

为什么元素按周期表来排列呢？对于中性原子，它的原子核里面的带正电的质子数等于原子核外面带负电的电子数，这就是元素在周期表中排列的原子序数。核外的电子是按层次排列的，这是由量子力2学的规律决定的。最外层电子数最多只能有2n个，n表示第n个周2期。元素的化学性质是由最外层的电子数决定的。所以，2n就决定了一个周期中最多能有多少个元素，如第一个周期（n=1）只有2个元素，第二个周期（n=2）只能有8个元素，第三个周期（n=3）只能有18个元素，……。

原子核中除了质子，还有不带电的中子。

到此为止，我们讨论了的物质的基本构成是：各种各样的物质都由分子、原子组成，原子由原子核和核外电子组成。核外电子是分层次排列的。此外，除了电子，我们还知道的粒子有光子和引力子等，共有62种基本粒子，在本书后面介绍。

●宇观、宏观、介观和微观

现代的自然科学的领域，总的来讲，根据事物的大小范围，从大到小分为：宇观、宏观、介观和微观四个领域。最大的是宇观，我们周围常见的是宏观，最小的是微观，介于宏观和微观之间的是介观。

什么是宏观

我们人类生活在地球上。人的高矮以米作为尺度来衡量。地面上城市之间的距离以千米做单位来衡量。地球的尺度为几千千米，月球离地球的距离是几十万千米。地球与太阳之间的距离，用米或是千米衡量，单位都嫌小了，而用“光年”作为距离的单位。1光年就是光1年所走的距离。光每秒走30万千米（这里取近似数值），1年有365天，1天有24小时，1小时3600秒，……，所以，1光年≈300000×365×121524×3600≈94600亿千米≈9.46×10千米≈9.5×10米。

在米或是千米这样的尺度范围内的事物，而不牵涉原子、分子、电子这些物质的小的单元结构，就是通常讲的宏观。

什么是宇观

太阳和它的行星组成太阳系。太阳系只是银河星系的一个不算大的成员。银河是一个星系，它比普通的星系稍微大一些，直径大约为十万光年。银河系中至少有2000亿颗星。

宇宙中大约有多少个星系？宇宙本身是无限的，而且也是在不断膨胀的，而且是越膨胀越快，即加速膨胀，所以应该有无限多个我们尚未知晓的星系。宇宙中我们已经测量到的星系有多少个，现在还没有一个确切的数字，有说800多亿个，有说1000多亿个，有说1000亿～2000亿个。1995年，天文学家利用哈勃空间望远镜对北部外空进行了观测，估算出宇宙中大约有800亿个星系。3年后，即1998年10月又对南部外空进行了观测，估算出的宇宙星系数量达1250亿个。由此可以知道，宇宙中的星系数量比1250亿个还要多，因为哈勃空间望远镜并没有看到全部的宇宙。

目前我们所观察到的宇宙大约有多大？把世界上最伟大的数学家请到世界上最先进的计算机前，请他用人类所已知的最大数来表述宇宙的尺度，让全人类都来做他的助手，不停地帮他在这个大数后面添“0”，演算的最后结果会是多少呢？结果将是“毫无结果”，人类永远无法算出这道题，因为这道题本身并不是数学题。“其大无外”，“宇宙是无限的”，古今哲学家们不厌其烦地重复着这一答案，认为这才是对宇宙尺度问题的准确表述。其实，哲学家们并不比数学家高明多少，数学家们算不出来的时候，就已经使用了一个数学符号——∞，即表示宇宙无穷大。哲学家们讲的“无外”、“无限”本身就意味着：人类的思维已无法思维这道题，或者说它在哲学上无解，故它也不是一道哲学题。

相信上帝的神学家认为“上帝是至高无上的”，当把上帝同宇宙相比时，谁比谁大呢？如上帝在宇宙之中存在，那么“上帝至高无上”则为谎言。如上帝不在宇宙之中，那么宇宙之内没有上帝存在。无论神学家们如何想象宇宙与上帝，他们永远想象不出宇宙与上帝的确切边界，故“宇宙有多大”这道题在神学上无解，它不是一道神学题。

中国古代《淮南子·齐俗》一书中有句话：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”按我们现在的理解，“往古来今”说的是时间。时间是从过去到现在，还到将来。沿一个方向，并且是不可以倒流的。用物理学的话来讲，时间是一维的，而且是不可逆的。时间是一维的“四方上下”就是前后左右上下六个方向。用物理学的话来讲，空间是三维的，有六个方向。

可见宇宙本身就指的是空间和时间。

用爱因斯坦相对论的话来讲，宇宙是一维时间加三维空间，即四维时空间。在一张平面的书纸上，如何画出四维的时空间？常常将三维空间压缩为一维，用一条线来表示，两头都有箭头，表示方向可以有前后、左右、上下；时间用一条线表示，只有一个箭头，表示时间从过去走向未来，不能倒过来流。空间是三维的四维时空

宇宙的物理学显然只能通过观测的途径去获得，而且还要通过观测来验证。因此，物理学宇宙的大小就是已观测到的宇宙的大小。也就是迄今我们对宇宙的认识的范围。这个范围将随着我们认识的发展而扩大。现在我们所认识到的宇宙的大小约为137多亿光年，就是光要走137多亿年所走的距离。如果宇宙从大爆炸开始算起，一直膨胀，大约经过137多亿年，才膨胀到今天这个样子。

大致来讲，人们对天体、恒星、星系和宇宙的认识就是我们的宇观。它的尺度是以光年为单位来衡量。宇观也是随着我们认识能力的发展而发展，我们能看得越远，宇观的范围也越大。

相对于宇观和宏观，往小的方面看，就是介观和微观。

什么是介观

介观是介于宏观与微观之间的一种体系。处于介观的物体在尺寸上已是宏观的，因而具有宏观体系的特点；但是由于其中电子运动的相干性，会出现一系列新的与量子力学的“相位”相联系的干涉现象，这又与微观体系相似，所以是介于宏观与微观之间，称为“介观”。

什么是微观-9

微观与“宏观”相对。自然科学中，一般指在原子、分子（10-8～10米，负数次方，是指小数点后面零的个数）或更小空间尺度的范围为微观。本书主要与微观打交道。它包括分子、原子、原子核、基本粒子、夸克等。基本粒子也有其内部结构。在这个范围的物质，都是我们人类的肉眼看不见的。微观世界的各层次的物质，都具有很奇怪的性质。在这个领域有许多怪事。例如波粒二象性。就是说，光子、电子这些东西，既是一个一个的粒子，又是可以叠加、干涉的波。它们服从的规律，不是我们所熟知的普通力学，而是所谓的“量子力学”，还有些别的力学。

本书要讨论的夸克，就是属于微观的范围。

●大自然最小的单元是什么

有史以来人类就在不断地思索，我们周围那丰富多彩的大自然是怎样构成的，规律是什么。在古代低下的科学技术水平情况下，得不到这些问题的答案，不得不求助于宗教，如说“盘古开天”，“上帝造人”之类的神话。我国在商周之际就出现朴素的自然观，即“阴阳”和“五行”学说。认为金、木、水、火、土这五种物质是万物之本，称为“五行”。水是阴，火是阳，阴和阳之间相生又相克。在古希腊也有一种学说称火、土、水、气是自然界的四种独立元素，由它们组成其他一切物质。这种思想的共同点就是认为多种多样的物质是由少数几种物质构成。

人类首先感觉光，如光波，光线。现在知道，光的基本组成是光子。后来知道物质由分子构成，分子由原子构成，如水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。后来知道原子由原子核和核外的电子构成，原子核由质子和中子组成。氢原子有一个电子，氢原子核只有一个质子。氧原子有8个电子，氧原子核有8个质子和8个中子。

人们会想，光子、电子、质子和中子，是不是就是构成物质的四种基本粒子呢？后来人们发现了很多种基本粒子。质子和中子也不能算最基本的粒子，它们是由更基本的粒子——夸克组成。

●基本粒子的秘密

1933年，狄拉克关于正电子存在的预言被安德森的实验所证实，1936年安德森因此获得诺贝尔物理学奖。于是，基本粒子的成员中，除了带负电荷的电子，又多了带正电荷的正电子，正电子是电子的反粒子。接着，又发现了质子的反粒子——反质子。

1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年诺贝尔物理学奖。1959年中国科学家王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆，经过3年的努力，终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年诺贝尔物理学奖。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中保罗·狄拉克找到了1934年汤川秀树所提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获得1949年诺贝尔物理学奖，鲍威尔获1950年诺贝尔物理学奖。到50年代末，基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。自1951年费米首次发现共振态粒子以来，至80年代已发现的共振态粒子达300多种。

所有的基本粒子都是共振态，共振态的发现其实已经揭开了基本粒子的重要秘密，即所有的基本粒子都是共振态。共振态可分为两类：一类是不稳定的，如强子类；另一类是稳定的，如电子、中子等。它们不容易发生自发衰变。不存在绝对稳定的基本粒子，如电子在一定的条件下也会湮灭（与正电子相遇时）而成为两个光子。产生基本粒子的外因是物质波的交汇，交汇处形成波包。内因是交汇处发生了共振，表现为共振态——即基本粒子的产生。

基本粒子是指人们认知的构成物质的最小、最基本的单位。现在，人们认识到基本粒子也有复杂的结构。基本粒子，根据不同的相互作用，分为强子、轻子和传播子三大类。

强子就是所有参与强相互作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种，它们是：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。它们有各自的反粒子。每种夸克还有3种不同的颜色，红、绿、蓝，称为“色荷”。所以，强子总共有36种。现有基本粒子中绝大部分是强子。质子、中子、π介子等都属于强子。质子、中子由3个夸克组成，介子由两个夸克组成。当然强子也参与引力和电磁力的相互作用，但是不参与弱相互作用。

轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。还有它们各自的反粒子。所以，轻子总共有12种。电子、μ子和τ子是带电的，各带一个单位电荷，所有的中微子都不带电。

轻子不一定都很轻，τ子的质量比很多强子都大。

轻子是基本粒子的一族。

所有已知带电轻子都可带有一个正电荷或一个负电荷，决定于他们是粒子还是反粒子。所有中微子和它们的反粒子都是电中性的。

传播子是属于基本粒子中的一族。每一种基本相互作用，对应一种传播子。四种最基本的相互作用，就有四种传播子，它们是：光子、引力子、中间玻色子、胶子。

光子是传播电磁相互作用的传播子。光子的静止质量为零，不带电荷，它的能量E为普朗克常量和电磁辐射频率v的乘积，E=hν，在真空中以光速c运行，自旋为1，只有1种。反粒子就是它自己。

引力子是传播引力相互作用的传播子，实验上现在还没有发现。反粒子就是它自己。+

中间玻色子是传播弱相互作用的传播子，自旋为1，有3种：W，-0W及Z玻色子。

传递强相互作用的传播子称为胶子，就像不同的胶水胶合不同的东西一样，不同夸克之间胶合的胶子不同，共有8种不同的胶子。胶子静质量为0，自旋为1，具有色荷。胶子之间也有强相互作用，胶子本身可放出或吸收胶子。它们把夸克捆绑在一起，使之形成质子、中子及其他强子。上图中下面两个大球胶子（小球）与夸克（大球）结合成质子代表两个上夸克，上面一个大球代表下夸克，其中4个小球，代表胶子，它们将三个夸克捆绑在一起，形成质子。

基本粒子要比原子、分子小得多，就是用现有的最高倍的电子显微镜也不能观察到它们。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

那么，粒子的质量又如何呢？现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无静止质量的，电子质量很小，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子质量都很大，接近电子质量的2000倍，已知质量最大的粒子是夸克。已发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。中微子的质量非常小，目前已测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，非常接近于零。

粒子的寿命是粒子的又一个主要特征量。电子、质子、中微子是稳定的，称为“长寿命”粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变为其他粒子。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子；一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以它的强度衰减到一半的时间来定义，称为半衰期。质子是最稳33定的粒子，实验已测得的质子寿命大于10年。

粒子还具有对称性，有一个粒子，必有一个反粒子。1932年科学家们发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对电子、正电子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子。

粒子还有另一种属性——自旋。自旋量子数为半整数的粒子称为费米子，自旋量子数为整数的称为玻色子。“费米子”是以著名物理学家费米的名字命名。我们来讲一段与费米有关的小故事。

●费米、爱因斯坦与原子弹

恩利克·费米（1901～1954），出生于意大利罗马，1922年获比萨大学博士学位。1923年前往德国。在玻恩的指导下从事研究工作。1924年到荷兰莱顿研究所工作。1926年任罗马大学理论物理学教授。1929年任意大利皇家科学院院士。他在理论和实验方面都有一流建树，这在现代物理学家中是屈指可数的。100号化学元素镄就是为纪念他而命名的，1938年获诺贝尔物理学奖。这恩利克·费米时，正是第二次世界大战期间，费米在意大利遇到了麻烦。一是因为他的妻子是犹太人，意大利墨索里尼独裁法西斯政府颁布出一套粗暴的反对犹太人的法律；二是因为费米强烈反对法西斯主义。1938年12月他和他妻子前往斯德哥尔摩接受诺贝尔奖，此后就没有返回意大利，而是去了纽约。哥伦比亚大学主动为他提供职位，并为自己的师资队伍中增添了一位世界上最伟大的科学家而感到自豪和骄傲。1944年费米加入美国籍。费米发展了量子统计学，用它来描述某类粒子大量聚集的行为。后来人们将自旋为半整数的粒子称为费米子。由于电子、质子和中子——构成普通物质的三种“建筑材料”都是费米子，所以费米学说具有重要的科学意义。费米方程可以使我们更好地了解原子核、退化物质（诸如出现在某些种类星体内部的退化物质）的行为，以及金属的特性和行为——一个有明显实际用途的课题。1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象，不仅对制造原子弹，而且对原子能核电站提供能源有重要作用。

在1939年初，中子被吸收后有时会引起铀原子裂变。这项报导发表后，和其他几位主要的物理学家一样，费米立即认识到一个裂变的铀原子可以释放出足够的中子来引起一项链式反应，而且还和另外几位物理学家一样，费米马上就预见到这样的链式反应可用于军事的潜在性。

但是直到爱因斯坦就此给罗斯福总统一封他们共同署名的信以后，美国政府才对原子能给予重视。那时候，同盟国（英、法、美等）的科学家虽然已经在讨论原子弹的可能，但是还没有正式开始进行制造的工作。后来由于同盟国在战事中一再失利，德国又开始禁止由他们占领的捷克铀矿区的铀矿出口，使得同盟国意识到，德国可能已经在认真进行原子弹计划。不久，一位德国科学家出人意料地在德文科学期刊上，公开发表了一些德国核分裂研究的新近成果。这位科学家本来是故意突破当时德国尚未完全开始的信息封锁，让同盟国得知德国研究近况，但是同盟国科学家反倒因而误认为，如果德国能够发布这么多资料，那么他们真正的发展情况恐怕还要更加先进，这就更加促使美国原子弹计划开始酝酿。

银行家沙克斯等共同署名拟就一信，准备敦促罗斯福总统在美国进行原子弹计划，为了增加这封信的分量，他们要求爱因斯坦共同署名，爱因斯坦同意了。这一封有爱因斯坦共同署名的信函，确实是促成原子弹计划的一个关键因素，而这件事到战后曾引起爱因斯坦相当的后悔。在原子弹生产出来后，他又给美国总统写信，反对氢弹的制造。

美国政府有了生产原子弹的兴趣，决定建立一个模拟原子反应堆就成了科学家的首要任务，以探明“自保持的链式反应”是否确实可行。由于恩利克·费米是世界上主要的中子权威，且集理论与实验天才于一身，所以被选为世界第一台核反应堆攻关小组组长。他最初在哥伦比亚大学工作，随后又到芝加哥大爱因斯坦学工作。1942年12月2日，在芝加哥，费米指导下设计和制造出来的核反应堆首次运转成功。这是原子时代的真正开端，因为这是人类第一次成功地进行了一次核链式反应。试验成功的消息以意味深长的预言形式一下子就传到了东方：意大利航海家进入了新世界（因为费米是意大利人）。……随着这项实验的成功，即刻做出了全速开展曼哈顿工程（制造原子弹）计划。费米在这项工程中作为一位主要的科学顾问，继续发挥着重要的作用。费米的主要贡献在于他在发明核反应堆中所起的重要作用。十分明显，这项发明的主要功劳应归于费米。他最先对有关方面的基础理论做出了重大的贡献，随后又亲自指挥第一座核反应堆的设计和建造。1945年美国制成原子弹，并投放于日本，对促成日本的投降起了重要作用。从1945年以来，出于和平目的，大量的核反应堆建成用来发电。在未来，反应堆将成为更重要的能源来源。此外，一些反应堆被用来生产有用的放射性同位素，用在医学和科学研究上。反应堆还是钚的一个来源，这是制造原子武器的一种材料。人们对核反应堆可能对人类产生危害存有害怕心理，但没人抱怨它是个无意义的发明。不管是好还是坏，费米的工作对未来世界产生了巨大的影响。

战后，费米在芝加哥大学任教授。他于1954年去世。为纪念费米对核物理学的贡献，美国原子能委员会建立了“费米奖”，以表彰为和平利用核能作出贡献的各国科学家。

发错了的诺贝尔奖，这是怎么回事呢？本世纪30年代初，中子被发现以后，科学家就利用它去轰击各种元素，研究核反应。以意大利皇家科学院院士费米为首的一批青年人，干得最起劲。他们按照元素周期表的顺序，从头到尾地轰击已知的各种元素，看看会发生什么情况。

1934年，元素周期表上最后一个是92号元素铀。当用中子轰击时，他们发现铀被强烈地激活了，并产生出好些种元素。他们认为，在这些铀的衰变产物中，有一种是原子序数为93的新元素。这是由于中子打进铀原子核里，使铀的原子量增加而转变成的新元素。

费米等人关于93号新元素的实验报告发表后，世界各国的报纸立即进行了轰动性的报道。关于93号元素问题，在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。有不少人肯定，也有不少人持怀疑态度。这场争论迟迟没有定论的原因是当时缺乏一种有效的手段，可以对铀元素受到中子轰击后的产物进行精确的分离和分析。

1934年10月，费米研究小组未解决这个谜团，却意外地取得另一项重大发现：中子在到达被辐射物质之前，和含氢物质中的氢原子核碰撞，速度大大降低；这种降低了速度的“慢中子”，更容易引起被辐射物质的核反应。这正如速度太快的篮球容易从框上弹出去，速度慢的较容易进篮一样，使用慢中子轰击原子核很快被各国科学家采用。

1938年11月10日，也就是“93号元素”发现4年多以后，费米接到来自斯德哥尔摩的电话，瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖：“奖金授予罗马大学恩利克·费米教授，以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素，以及他在这一研究中发现由慢中子引起的反应。”费米带着全家去斯德哥尔摩领奖后，没有返回意大利，而是乘上了去美国的轮船。

就在这一年，德国威廉皇家化学研究所的两位化学家哈恩和斯特拉斯曼，与女物理学家梅特涅合作，试验用慢中子轰击铀元素，而且用化学方法分离和检验核反应的产物，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93号新元素，而是56号元素钡！原子核的这一种变化现象过去还从未发现过。

1938年11月22日，也就是在诺贝尔奖颁发后的12天，哈恩把分裂原子的报告寄往柏林《自然科学》杂志，该杂志1939年1月便登出了哈恩的论文，推翻了费米的实验结果。显而易见，诺贝尔奖搞错了！

听到这惊人的消息，费米的第一个反应是来到哥伦比亚大学实验室，利用那里较好的设备，重复了哈恩的试验，结果和哈恩的试验一样。这一事实，对费米来说无疑是难堪的。然而和人们的想象相反，费米坦率地检讨和总结了自己的错误判断，表现了一个科学家服从真理的高尚品质。

此时此刻，费米考虑的不是个人的名誉得失，他在别人成就的基础上继续向前迈进。在裂变理论的基础上，费米很快提出一种假说：当铀核裂变时，会放射出中子。这些中子又会击中其他铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂。这就是著名的链式反应理论。根据这一理论，当裂变一直进行下去时，巨大的能量就将爆发。如果制成炸弹，它理论上的爆炸力是TNT炸药的2000万倍！这就是原子弹的原理，也是原子能核电站产生新能源的原理。

●究竟是波还是粒子呢

光既是光波又是光子流。光具有波长、频率以及叠加、干涉、衍射等波动性质。

光通过单缝，当光的波长λ远小于单缝的宽度a, aλ，在屏幕上会形成单缝的相，如下图：光透过宽缝显示出直线传播的特性

当光波的波长λ接近于单缝的宽度a时，即a≈λ，光会传播到单缝后面的阴影处，并在屏幕上形成一些条纹，称为衍射。也就是说，波在传播过程中遇到障碍物，能够绕过障碍物的边缘前进，偏离直线传播，这种现象称为衍射现象。如下图：光透过窄缝显示出衍射的特性

而且，中央的条纹最亮，两边的条纹的亮度慢慢减弱。光的衍射现象说明光具有波动性。

赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功地解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光电效应

光子也具有质量、动量、自旋等粒子的特性。

电子和其他微观粒子，除了具有质量、动量、自旋等粒子的特性，还具有波长、频率以及叠加、干涉、衍射等波动性质。

这些都在理论上和实验上得到证实。所以，统称为微观粒子的波粒二相性。

●“双生子”之间的量子纠缠

所谓“量子纠缠”是指不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子变化的现象，即两个粒子之间不论相距多远，从根本上讲它们还是相互联系的。例如，一个无自旋的粒子分裂成两个粒子，它们的自旋一定是大小相等方向相反。但在观测到它们的自旋前，它们是随机的，自旋的方向可能是随机地沿任何方向。对一个粒子的观测，如果测量得到自旋是朝北方，会瞬时影响到另一个粒子，使它的自旋是朝南方。举一个通俗的例子来说，就像是一对双胞胎兄弟，一个在中国，另一个在美国。当在中国的这个被打了一板屁股，那么在美国的那个双胞胎兄弟会感觉屁股被打疼。科学家们认为，这是一种“神奇的力量”，爱因斯坦都无法解释，将其戏称为“遥远的鬼魅行为”。这种现象已经得到大量实验证实。现在已经成为具有超级计算能力的量子计算机和“绝对安全”的量子保密通信的基础。

二、夸克是如何发现的

●打开原子的大门

19世纪接近尾声的时候，玛丽·居里打开了原子的大门，证明原子不是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子：电子和质子。1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这次科学家们又认为发现了最小粒子。20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎，把质子打碎。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽发明了“气泡室”。将亚原子粒子加速到接近光速，这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可玛丽·居里以看到这些气泡的踪迹。

气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，数量众多，让科学家既惊奇又疑惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。默里·盖尔曼认为，如果应用关于自然的几种基本概念，就可能会弄清楚这些粒子。他先假定自然是简单、对称的。他还假定像所有其他自然界中的物质和力一样，这些亚原子粒子是守恒的（即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失，而是保存了下来）。

用这些理论作指导，盖尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法，称为“奇异性”测量。奇异性可以测量到每个粒子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是最小的物质单元，而是由3个更小的粒子构成，那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。

经过两年的努力，盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。最后他将之命名为夸克。

所有的物质都是由原子构成的。世界上存在数千种原子。但原子-10并非构成物质的最小单元，它的内部还有自己的结构。10米大小的-15原子内部绝大部分是真空的，中心有极为致密的核，大小约10米。电子绕着原子核运动，其量子式的运动曾困惑了很多人。

●有“色”有“味”的夸克

物质的内部结构正如同俄罗斯套娃一样，打开一层，又出现下一个层次。同理地，原子核也有内部结构：它由质子和中子经强作用力结合在一起构成。物质结构层次

1947年以前，我们只认识质子、中子、电子、μ子等为数不多的几种粒子。人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称其为“基本粒子”。此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现存在了大量其他粒子，如π、Κ、Λ、Ξ、Δ等一百多种。这些粒子中有的寿命很短，产生后很快就蜕变为其他粒子。因此，随着时间的推移，观测到越来越多的基本粒子。人们不禁要问，后发现的这些粒子还是基本的吗？卢瑟福及其原子模型

卢瑟福原子模型，又称“有核原子模型”、“原子太阳系模型”、“原子行星模型”，是关于原子结构的一种模型。1911年由卢瑟福提出。认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域，叫原子核，电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电，电子带负电。

1961年美国的侯世达用波长为德布罗意波长的电子轰击质子，-15结果发现质子并不是一个几何点，它有大小，半径约为10米，电荷-15就分布在这样一个小空间范围。中子也有大小，半径约为10米。中子电荷为零。为了解释质子和中子的内部结构，1964年盖尔曼假定：前面所说的一百多种“基本粒子”是由满足粒子物理标准模型中对称的三种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克及其反粒子构成，其电荷分别为质子电荷的（2/3，-1/3，-1/3）。

夸克具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2或-1/2。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克、下夸克和奇夸克。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克——粲夸克。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克—底夸克。1994年发现第六种夸克—顶夸克，人们相信这是最后一种夸克。

人们发现共有6种夸克：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。后四种夸克高度不稳定；大多数物质是由前两种夸克组成的。我们通常只取这六种夸克的英文首字母，称做u、d、s、c、t和b。我们还用“味”这个词来形象地区分这6种不同的夸克。不同夸克除味不同外，其他物理参量的取值不同也有一些区别，比如质量、电荷、自旋、重子数、轻子数、同位旋量子数等。夸克还有一个奇异的物理量：色量子数。每种味的夸克另有3种不同的颜色：红、绿、蓝。一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。由于夸克带电，每种夸克另外存在自己的反夸克，因此，总共存在6×3×2=36种夸克。

基本粒子的成员如此之多，难道它们真的都是最基本、不可再分的吗？有部分中国物理学家称夸克为“层子”，因为他们认为：即使夸克也不是物质的始元，只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。大量实验表明至少强子（质子、中子和介子）是有内部结构的。1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。后来得到实验证实，他因此获得1969年诺贝尔物理学奖。

电子带一个单位负电荷，质子带一个单位正电荷，中子不带电。夸克带有分数电荷，例如：+2/3或-1/3。夸克都是两两成对、或三三成群，从未单独地被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子。这就是著名的夸克模型。胶子就相夸构模型当于夸克间相互作用的量子。盖尔曼提出有三种夸克：两种同位旋为1/2，另一种同位旋为0。在同位旋为1/2的两种中，同位旋向上的，称为上夸克；同位旋向下的称为下夸克；同位旋为零的则称为奇夸克。奇夸克带有奇异数。夸克理论后来因实验事实的补充而不断发展。1974年丁肇中等发现J/ψ粒子。因此有人引入了第四种夸克——粲夸克，粲夸克带有新的量子数——粲数。第五种夸克称为底夸克。第六种夸克称为顶夸克。

强子是由三个夸克组成，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。

●夸克之父盖尔曼

盖尔曼的父亲曾就读于维也纳大学和海德堡大学，移民美国后管理着一个语言学校。就在盖尔曼出生前几周，美国大萧条时期降临，所以童年时他的家庭一直很拮据。童年的盖尔曼兴趣十分广泛，很早就成为街区里有名的神童——他的同学认为他是“会走路的大百科全书”。到14岁时，他考虑申请到耶鲁大学，父亲问他想学什么，他回答说‘只要跟考古或语言学相关就好，要不然就是自然史或勘探’，他父亲的第一反应是‘你会饿死的’。时值1944年，战争时期的美国经济状况并不理想，他的父亲强烈建议他学“工程”，然而讽刺的是，在经过能力测试后盖尔曼被认为适合学习“除了‘工程’以外的一切学科”。于是他父亲建议：“我们干吗不折中一下，学物理呢？”正是这个“意外事件”造就了后来的夸克理论提出者、1969年诺贝尔物理学奖获得者和“统治基本粒子领域20年的皇帝”（另一个诺贝尔物理学奖获得者格拉肖的话）。

夸克一词是盖尔曼取自J·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三呼夸克”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是他喜欢鸟类的原因。

从耶鲁大学毕业后，不到22岁的盖尔曼在麻省理工学院获得博士学位，随后被“原子弹之父”奥本海默带到爱因斯坦时代的普林斯顿高等研究所做博士后，期间曾在费米领导的芝加哥大学物理系授课并被提升为副教授。1955年盖尔曼在博士后研究结束后去加州理工学院，“那里有费曼”。就这样，盖尔曼不到26岁就成为加州理工学院最年轻的终身教授。

从盖尔曼的奇异数发现到获得诺贝尔物理学奖，他的历程可以用渐入佳境来形容：24岁发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数，28岁建立了正确描述弱相互作用的理论，32岁提出了强子分类的八正法（相当于介子和重子的门捷列夫周期表），35岁创立了夸克模型，40岁荣获诺贝尔物理学奖。

盖尔曼在获得诺贝尔奖约15年后。他掉转了方向，发起成立研究复杂性理论的中心。正是由这些完美的物质基元——夸克和轻子以及相互作用的传播子，构成了高度复杂而个性独特的世界。美籍华裔作家施加彰送他一本新出版的诗集，其中有两句诗打动了他：“夸克世界中，万事都与一只在夜间徘徊的美洲豹有关。”诗句似乎完善地表达了简单性如何导致复杂性的奥秘，以及精确的物理定律如何产生有意识的生物。盖尔曼给他出版的一本新书起名《夸克与美洲豹》，1994年出版后大受欢迎，这本书就是揭示复杂性的新书。

盖尔曼1953年到芝加哥大学当讲师，参加到以著名的费米（1938年获诺贝尔物理学奖）为核心的研究集体之中。费米于1954年去世后，1955年盖尔曼就转到加州理工学院。他自己说到那里去的理由是因为“那里有费曼”。费曼和盖尔曼在弱相互作用领域合作，比如β衰变方面，做了一些奠基性工作。费曼通过提出高能质子碰撞过程的模型，在夸克理论的发展中，起了重要作用。

●费曼的故事

理查德·费曼（1918～1988），美国著名的物理学家，1965年诺贝尔物理学奖得主。

他1918年5月11日出生于美国纽约皇后区小镇的一个俄罗斯移民犹太裔家庭。

1935年他进入麻省理工学院，先学数学，后学物理。1939年本科毕业。1942年6月获得普林斯顿大学理论物理学博士学位。1943年进入洛斯阿拉莫斯国家实验室，参加了美国研制原子弹的曼哈顿计划。1951年转入加州理工学院。在加州理工学院期间，加州理工学院因其幽默生动、不拘一格的讲课风格深受学生欢迎。

1965年费曼因在量子电动力学方面的贡献与施温格、朝永振一郎一同获得诺贝尔物理学奖。1988年2月15日，费曼因癌症逝世。

理查德·费曼和阿琳·格林鲍姆从高中时代起就固定约会，甚至在理查德离开家乡去上大学的时候，两个人的关系也在不断深入发展。约会了六年以后，他们正式订了婚。尽管两个年轻人的志趣很不相同，他们却共同拥有一种古怪的幽默感。经过多年的交往，理查德和阿理查德·费曼琳深深地相爱了。在理查德被普林斯顿大学录取继续深造时，这种两地分离的恋爱仍然继续进行。在这段时间，阿琳发现自己颈部有一个肿块，并且持续疲惫和低烧几个月，被诊断为结核病。理查德得知检查结果后，认为自己应该跟她结婚以便很好地照顾她。可是他的父母却反对他结婚，因为他们害怕理查德也传染上结核。他们建议他撕毁婚约，但他拒绝这样做。

于是，就在理查德获得博士学位后不久，他设法让普林斯顿大学附近的一所慈善医院同意接收阿琳。他在轿车里摆了一张床，让阿琳躺在上面，带她去医院。1942年6月29日，在去医院的路上，一位治安官员主持了他们的结婚仪式。尽管这时理查德已经在忙于曼哈顿计划的研究工作，他还是尽心竭力地照顾阿琳。从他们结婚那天直到阿琳去世，她一直在医院里卧床休养。

1943年春天，普林斯顿大学的科学家们被转移到洛斯阿拉莫斯的绝密的研制原子弹的实验室，理查德非常不放心阿琳。项目主持人罗伯特·奥本海默在洛斯阿拉莫斯以北60英里的阿布奎基找了一所医院，让阿琳住在那里，这样她的丈夫就可以安心工作。每个周末，理查德都驱车赶到阿布奎基，与阿琳待在一起。一周当中的其他日子，一对年轻夫妇就互相写信。就是在这种奇特而充满悲剧色彩的情况下，两个人也从来没有失去过机智和幽默。

对于费曼的教学生涯来说，听费曼讲课确实是一种触电的经历。在讲台上，他总是处于动态，正如他喜欢谈论的原子一样。他像个舞蹈演员一样昂首挺胸地在台上走来走去，他的胳膊和双手划出复杂而优美的弧线，配合着他的语言。他的声音时高时低，用来证明他的论点。总而言之，他能牢牢地抓住听众的注意力。

费曼从教学当中得到了活力。学生们经常提出一些深刻的问题，这常常会进一步激发他的头脑，提供研究的课题。有一次他写道：“教学和学生使我的生命得以延续。如果有人给我创造一个很好的环境，但是我不能教学的话，那我永远不会接受。永远不会。”所以，费曼被称做“老师的老师”是当之无愧的。

费曼最可亲的品质之一，是他对于课堂上的费曼自然的奇迹无休止的好奇心和从全新的角度看问题的能力。费曼喜欢观察最普通的自然现象，并找出其中的道理，这些现象大部分人，包括物理学家在内，都不会注意到。费曼常说，如果一个人学会了解释简单的东西，他就懂得了解释是什么；也就是说，他理解了科学本身。

●粒子也像陀螺一样有自旋

自旋的属性把不同种粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋的大小不像地球自转那样是连续的，而是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋（如1/2，3/2，5/2等）；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋（如0，1，2等）。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能处在同样的量子态（称为泡利不相容原理）：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一状态。泡利不相容原理是因奥地利物理学家泡利（1900～1958）而得名。1924年，泡利发表了他的“不相容原理”：原子中不能有2个电子处于同一量子态上。这一原理使得当时所知的许多有关原子结构奥地利科学家泡利的知识变得有条有理。这就是泡利不相容原理。泡利本人获得了1945年度的诺贝尔物理学奖。后来发现这个原理适用于所有费米子。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料（如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子）；而传递作用力的传播子（光子、介子、胶子、W和Z玻色子）都是玻色子。

粒子按自旋的不同，可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米；另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是粒子的一种与其角动量（粗略地讲，就是半径与动量的希格斯玻色子乘积）相联系的固有性质。自旋只能取普朗克常数的整数倍（玻色子，如光子、介子等）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）。

费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律。费米子遵循费米—狄拉克统计，其中一个显著和特点，就是“泡利不相容原理”，即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子。这就像电影院里的座位，每座只能容纳一个人。而玻色子则完全不同，一个量子态可以容纳无穷多个玻色子。这就像在地面上，可以坐很多人。

这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

玻色子和费米子是物质世界的两种存在，玻色子和费米子正好和中国古代的阴阳太极思想一致，即阴是玻色子，是物质存在的基础；阳是费米子，是物质存在的形式。我们现实世界的存在就是以阴的存在为基础而表现出阳的形式。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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