這是我們發布的物理學專欄的第五篇，也是《費曼物理》第一冊第2章的最后內容。
前篇我們介紹了量子力學的最基本觀念“不確定原理”和“實驗結果的不可預測性”，并提到“物理學中迄今最成功的的理論”——量子電動力學（電磁理論）的適用范圍：除萬有引力和原子核過程外一切通常現象的基本法則。
那么，原子核過程的基本法則是什么呢？
這就是今天的主題：原子核與粒子。
原子核與粒子
原子核是由什么組成的？它們又是怎么結合在一起的？質子和中子是基本粒子嗎？
人們發現，原子核是靠巨大的力（核力）結合在一起的。把原子核松綁時會釋放出巨大的能量，該能量與化學能之比，就是：
這是當然的。因為原子彈與原子核內的變化有關，而TNT與原子外層電子的改變有關。問題是：這種把質子和中子結合在一起的力到底是一種什么力？ 質子和質子之間巨大的電斥力是靠什么抵抗的？
湯川秀樹提出：正像電相互作用可以與一種粒子——光子聯系起來一樣，中子與質子之間的作用力也有某種場，當這個場振動時，其行為像一個粒子（介子理論，1935）。因此除去中子與質子之外，世界上還應有一些別的粒子，并且湯川從已知的核力特征推出了這些粒子的性質。
用光子交換表示電磁相互作用：如果將倆帶電粒子（物體）比作站在冰面上的兩個人，光子就像一只小皮球，兩人可以通過拋接球來互相影響對方（電磁相互作用）。小皮球的飛行速度（光速）就是電磁相互作用的傳遞速度。同理，我們也想在核過程中找到一只類似的小皮球，來表示核子之間的相互作用（強核力）。
比如，他預言，它們的質量應是電子的兩三百倍；——人們還真在宇宙線里發現了這樣質量的粒子！……但是，后來發現這并不是湯川預言的粒子，它被稱為μ介子（實際上，它是一個輕子，所以現在被正式稱作：μ子）。
然而，沒多久，在1947年前后，就發現了另一個粒子——π介子，它滿足湯川的判據。于是你說：“真棒！有了這個理論，我們就可以用質子、中子加π介子，建立起量子核動力學了！只要看看它行不行，如果行，那萬事萬物都可以解釋了！”
可惜的是，后來發現，這個理論中的計算是如此困難，以至20年過去，都沒人能從這個理論中算出點什么結果來，或者能用實驗去驗證它一下。
量子核動力學不了了之……π介子不是那個小皮球
——但湯川秀樹仍因預言了介子的存在而獲得了1949年諾貝爾物理學獎
所以，大家都被這個理論難住了。雖然不知它是對是錯，但它確實是有點毛病，至少是不完備的。正當大家在理論上徘徊不前時，實驗物理學家卻發現了一些東西：
比如，他們早就發現了μ子，但在理論中卻沒有它的位置。另外，在宇宙線里還發現大量其他“額外”的粒子。可我們卻無法理解這些粒子之間的關系：大自然要這些粒子做什么？這些粒子之間有什么聯系？有沒有什么好的理論，可以把它們統一起來，使得它們可以被看成是同一事物的不同側面？
由于量子電動力學的巨大成功，當時已經具備一定的核物理學知識。但它們還是粗糙的、半經驗半理論的：它假設質子與中子之間的力為某一類型，然后看看會有什么結果，而不真正理解力的來源。除此之外，就少有什么進展了。
在化學上，我們也曾有過大量的化學元素，突然之間，元素之間的關系，被門捷列夫周期表統一了！比如，位于同一列的元素，鈉和鉀，它們的化學性質幾乎是相同的。——因為它們有相同的最外層電子數！
元素周期表
對于現在說的這些新粒子，能不能也有一張這樣的表呢？
（能不能找到某種歸類方法，用最少的基元把它們統一起來？就像用核外電子數把化學元素統一起來一樣？）
曾經有過一張，在1953年。它是由美國的蓋爾曼和日本的西島各自獨立作出的。它的分類基礎是一個新的數，類似于電子的電荷，叫做——“奇異數”S。每個粒子都有一個S值，在核力引發的過程中，它們就像電荷一樣是守恒的。
下面就是這張表，為了讓它更易讀，我們作了一些標記。
——但它對多數人來說依然是難讀的。
——好在我們現在可以不用讀它了！因為已經有了更好的理論！（請感受一下早期粒子研究的繁瑣與困難，接著往下拉吧^_^）
19世紀50年代發現的粒子：實線表示粒子，虛線表示“共振態”（壽命極短而無法被直接探測到的粒子）。每個粒子下寫著它的質量，單位MeV（兆電子伏）。1MeV = 1.782×10-37 克。質量大的粒子在較高位置，垂直欄內的粒子帶有相同電荷，中性粒子在中間，帶正電粒子在右邊，帶負電粒子在左邊。
所有與中子、質子放在一起（按質量）的粒子統稱為重子。除重子外，其它卷入核內相互作用的粒子稱為介子。（重子和介子因與強核力有關，被統稱為強子。）每個粒子都有反粒子，除非一個粒子是它自己的反粒子。（反粒子的質量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有的內部相加性量子數，如電荷、重子數、奇異數等都與正常粒子大小相同、符號相反。）
表中略去了兩個重要的零質量、零電荷粒子——光子與引力子，它們不屬于重子－介子－輕子分類圖。此外，還有某些較新的共振態也不包括在內。除去電子、中微子、光子、引力子和質子外，所有的粒子都是不穩定的。輕子沒有奇異數，因為它們與核之間沒有強作用。
表中還略去了電子和μ子（它們也是輕子），它們的差別僅在于質量不同，μ子比電子重。另外，還有一種輕子是中性的，叫做中微子，具有零質量，已發現的有兩種，一類與電子有關，另一類與μ子有關。
什么是“零質量”呢？這里說的是粒子靜止時的質量。一個粒子具有零質量意味著它不可能靜止。例如：光子，它總是以每秒300,000千米的速度運動。當我們在適當時候學過相對論之后，對質量就會懂得更多一些。
這樣，我們就面對著一大群粒子（截至60年代末， 200多種！愁煞理論物理學家），它們看來都像是物質的基本組成部分。
——可是我們并不想面對這樣龐大的一個“基本粒子”家族……難道它們都是基本粒子嗎？
提出該粒子圖的蓋爾曼顯然也不想面對。
莫里·蓋爾曼：1953年和西島分別獨立作出初期粒子圖；1964年又和喬治·茨威格分別獨立提出夸克模型，并因此獲得1969年諾貝爾物理學獎
他天天鉆研，觀察各種數據，終于有一天福至心靈，說道：
基本粒子不基本，基本電荷非整數！
——這是觀念上的重大進步！從此粒子的統一柳暗花明！
在此之前，我們其實早就發現粒子之間的相互作用有規則可尋，并且成功將其分成了四類：強相互作用（強核力）、電磁相互作用、弱相互作用（弱核力）和引力。
——連耦合關系和強度都知道了：
| 耦合關系 | 強 度 | 定 律 |
|---|---|---|
| 光子對帶電粒子 | 1/137 | 量子電動力學 |
| 引力對所有其他質量（能量） | ~10-40 | 萬有引力定律 |
| 弱作用（β衰變） | ~10-5 | ？ |
| 介子對重子（即：強子之間） | 1 | ？ |
60年代對四種基本相互作用的理解。強度是指包含在每種相互作用中的耦合常數的無量綱的量度。實際上，所有的亞原子衰變都被歸結為弱力，——如β衰變、μ子衰變、π介子衰變等，都是由弱力引發，且只能由弱力引發。強相互作用則只發生在強子之間（或之內），例如：使質子抵抗電斥力而束縛在一起，以及和中子結合在一起形成各種原子核。
那我們為什么不用某種帶分數電荷的基元把強子先統一起來呢？然后只要將強相互作用看作僅存在于這種基元之間的相互作用，再找到一種“小皮球”作為傳遞這種強相互作用的媒介，就萬事好說了！
（一頓操作猛如虎……過程略……總之，——又是一次數學模型簡化上的重大勝利！）
這個基元就是夸克。這個小皮球就是膠子！ 強相互作用就像這樣：
于是重子被描述為由三個夸克組成的復合粒子，介子被描述為由一對正、反夸克組成的粒子。強相互作用被看做是僅存在于夸克與夸克之間的相互作用（以膠子為媒介）。
在夸克模型下，質子和中子是這樣的：
兩上/一下組成質子，兩下/一上組成中子
（上帶電2/3e，下帶電-1/3e）
由質子和中子形成的原子核是這樣的：
π介子是這樣的：
這些紅的、綠的、藍的東西就是夸克，上面的字母表示它的種類（稱作“味”）。連接夸克的小彈簧一樣的東西就是膠子。因為強相互作用有一個特征：距離越遠，強度越大（這和電磁力、引力都截然不同），所以我們就用一個小彈簧來形象地表示它。膠子將中子、質子等緊緊束縛在一起，形成各種原子核。
那……夸克怎么還有顏色呢？這就是更進一步的描述了。為了表現一種稱之為“夸克禁閉”的粒子特性，我們類比電荷與電荷之間的相互作用，引入色荷的概念，將強相互作用看做是帶不同色荷（紅、綠、藍，定義三色組合為無色）的夸克之間的相互作用，并由此發展出了一門描述強核力的理論——量子色動力學！
“夸克禁閉”是指夸克不能單獨存在，而只能以色荷為零的組合（三色一組的重子，或正、反色一組的介子，即：強子）存在，因為量子色動力學認為，普通物質（粒子）是沒有“色”的。所以，中子、質子、π介子等強子在物理上其實也是不可再分的，而只能通過其中的夸克味變來變成其他粒子。
例如，在β衰變中，一個中子（的一個下夸克味變為上夸克）變成一個質子，釋放出一個電子和一個中微子。β粒子（高能電子）可看做是核子在不同狀態之間躍遷的產物，事先并不存在于核內。所以,引起β衰變的是電子-中微子場同原子核的相互作用，這種作用屬于弱相互作用。
——值得一提的是，由于弱相互作用與電磁相互作用的這種相似性，現已發展出一門理論：電弱統一理論。下一步；我們還想把引力和強核力也統一起來。
有了這個夸克模型，大伙兒群策群力，又一頓砍瓜切菜，把其他粒子也一并解決了。這就是最最后出現的：
——粒子物理標準模型！
標準模型完美整合了之前提到的所有粒子，并將它們統分為兩類：組成物質的費米子，和傳遞各種相互作用的玻色子（即之前提到的“小皮球”，又稱“交換粒子”或“媒介子”）。
在粒子物理標準模型中，每味夸克有三色；每個粒子都有反粒子；先后發現三代費米子（第一代：組成所有普通物質；第二代/第三代：只能在高能實驗中制造，并會在短時間內衰變為第一代粒子；每一代（縱列）的四種粒子與另一代相對應的四種粒子的性質幾乎一樣，唯一區別只是質量不同）；它們之間通過交換右邊的四種玻色子發生相互作用（圖中略去了尚不明確的希格斯玻色子）
在標準模型理論下，所有四種相互作用都被看作是由某種粒子的交換來實現，如下圖：
| 相互作用 | 作用對象 | 交換粒子 |
|---|---|---|
| 電磁相互作用 | 帶電物體 | 虛光子 |
| 弱相互作用 | 所有基本粒子 | W+、W-和Z0玻色子 |
| 強相互作用 | 夸克 | 膠子 |
| （引力） | 有質量的物體 | （引力子） |
在標準模型中，引力還未能被描述。而弱作用和電磁相互作用已被弱電統一理論統一了。如果我們能發現引力子，那么引力也能被納入其中。
這就是當代物理學的狀況。總結起來，我們可以這樣說，在原子核外，看來什么都知道了；在核內，量子力學是成立的，還沒有發現量子力學的原理在那里失效。可以說：容納我們所有知識的舞臺是相對論性時-空；引力或許就包括在時-空之中。
我們不知道宇宙是怎樣開始的，我們從未做過實驗來精確地檢驗過在某個微小距離下的時-空觀念，所以只能確知，在大于那個距離的尺度上我們的觀念是成立的。
我們還應當加上：這場弈棋的規則就是量子力學的原理，就我們迄今所知，這些原理像適用于已知的老粒子一樣適用于新發現的粒子。
核力的起源將我們引向它們，我們摸索著一路前進，已逐漸趨于對亞原子粒子世界的理解。但我們還不清楚，在這種摸索中，我們還要走多遠……
呼！
最艱難的部分終于更完了！我們的新物理學大廈就算竣工了！剩下的就是好好修葺它了！
現在，大家對于這個世界有沒有理解得更多一些呢？關于“物理現象的分類與統一”的思想，關于“實驗是檢驗真理的唯一標準”的思想，有沒有所感悟呢？
今天，我們沒有問題，也沒有段子！讓我們好好消化一下這一章內容吧！
后面，我們還會帶著這些行囊繼續上路，去攻克更多具體的問題！
——勇敢的你，是不是已經決定加入我們的征程呢？
