二、物质观的演变

赵凯华

费曼（R. Feynman）曾经说过：“假如在一次浩劫中所有的科学知识都被摧毁，只剩下一句话留给后代，什么语句可用最少的词包含最多的信息？我相信，这是原子假说，即万物由原子（微小粒子）组成，它们永恒地运动着，并在一定距离以外互相吸引，而被挤压在一起时则互相排斥。在这一句话里包含了有关这世界巨大数量的信息。”为什么是这样？世上万物种类繁多，形态各异，共性在哪里？藏于物质多样性背后的统一性要在微观层次中去寻求。

（一）古希腊的原子论

古希腊原子论的代表人物是德谟克利特（Democritus），他的原子论思想远超出物质结构的范畴，而带有哲学的味道，他说：“惯常认为，甜就是甜，苦就是苦，热就是热，冷就是冷，颜色就是颜色，但实际上只有原子和虚空，亦即，人们习惯于把感觉的对象看作是真实的，其实不然，只有原子和虚空是真实的。”譬如我们在老远就可以闻到花香，那是因为花的原子飘到我们鼻子里（见图18）。一切感觉到的特性，无非是物质原子某种形式运动的结果，这符合现代科学的认识，例如各种颜色不过是原子按特定模式振动的表现。

（二）化学家的原子和分子

英语原子一词为atom，源于希腊文aατομος，其中字头a代表否定，rotios是由动词变来的形容词，意思是“可分割的”，故atom的原意是“不可分割的”东西，atom最早的中译名是“莫破”，见于严复译的《穆勒名学》。总之，早年的原子论者把“原子”看作是物质坚不可摧的最小基元，笛卡儿、伽利略、牛顿继承了这种思想。1800年前后化学家道尔顿（J. Dalton）抱这种经典的原子论发展到了一个新的高度（图19）。

近代化学（chemistry）是从中古时代炼金术（alchemy）脱胎出来的。炼金术士认为金属都是由汞和硫组成，各种金属之间的区别只是所含汞硫的比例和纯度不同。炼金术的目的是借助于“哲人石”将普通金属变为黄金，从现代化学的观点来看，炼金术的根本错误在于混淆了“纯质（元素）"与“化合物’’的概念。历史上首先明确提出“元素”概念的是17世纪的化学家（也是物理学家）玻意耳（Robert Boyle）。 他说：“我指的元素应当是某些不由任何其他物质所构成的原始的和简单的物质或完全纯净的物质。”然而真正全部搞清楚什么是元素什么不是，是19世纪的事。18世纪末法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier）用定量的方法发现了氧，从而搞清楚了燃烧的本质，成为近代化学的先驱。19世纪初，道尔顿（John Dalton）提出原子论，他发现，某种物质和另外一种物质化合成其他物质时，它们的质量总成简单的整数比。譬如氢和氧化合成水时，两者质量之比总是1∶8。对这种现象最自然的解释是各种物质都是由原子组成的，不同物质的原子在质量上成简单的整数比。在道尔顿的“原子论”里已初步把原子和分子（molecule）区分开来，完全正确地区分元素和化合物，要到19世纪中叶，伴随着许多新元素的发现和原子量、分子量的测定才完成。

俄国化学家门捷列夫（D.I.Mendeleev）发现，把元素按原子量大小的顺序排列起来时，它们的化学性质显示出某种周期性。1869年他发表了一份周期律图表（图20）。科学的威力莫过于预言某种未知的事实。门捷列夫根据周期律图表中的空位预言了镓、钪、锗等多种元素，后来都为实验所证实，化学家们还根据门捷列夫周期律修订了多种元素的原子量。

总之，19世纪的化学确立了这样的概念：有的物质是可以用化学手段使之分解的，这种物质叫“化合物”；有的物质则不能用化学的方法使之改变，这类物质叫“元素”，化合物是由分子组成的，分子由原子组成，原子则不能用任何化学手段加以分割和改变。

（三）物理学家的原子

1897年J.J.汤姆孙（J.J.Thomson）发现了质量比原子小得多的粒子——电子，显然，“莫破”被分割了。1911年卢瑟福（E.Rutherford）在a粒子散射实验中发现：原子的质量几乎全部集中在很小的硬核里，即所谓原子核，核外有Z个电子（Z——原子序数）。原子核带电Ze，电子带电－e，它们相互吸引着。按照库仑定律，电荷之间的作用力与万有引力一样，也服从距离的平方反比律。人们很自然会想到，原子像个小太阳系，原子核相当于太阳，电子相当于行星，电子绕着原子核旋转。这便是原子的太阳系模型。

但是，在一些关键问题上原子和太阳系不可能是一样的。根据经典电动力学，作加速运动的带电粒子要向外辐射能量。因此绕原子核转的电子的能量将在辐射中丧失掉，从而跌落到原子核上，正像人造卫星再入大气后其能量在与空气的摩擦中耗散掉，最后跌落在地面上一样。这样一来，原子将是极不稳定的，但这与事实不符，此外，由于行星轨道的大小可以连续地取任何数值，如果银河系内还有其他“太阳系”的话，它们不会和我们的太阳系一模一样。然而宇宙间同类的原子（譬如氢原子）不论在哪里都是全同的。再者，在太阳系中，一旦彗星撞到行星上，这行星原来的状态就被打乱，且永远不可能恢复到和原来相同的状态，但原子在经历碰撞、激发、化合、分解等任何物理、化学过程后变回原来的原子时，它的状态总是一模一样的，原子结构的这种高度稳定性，对太阳系来说是绝对不可想像的。

为了“拯救”原子免遭太阳系的命运，玻尔（N. Bohr）于1913年为电子轨道设下了“量子化条件”，硬性规定了它的轨道半径：

\({r_n} = \frac{{{n^2}}}{Z}{a_B}\)（n＝1，2，3，…），

其中a_B＝\(\frac{{{\hbar ^2}}}{{{e^2}m}}\)为玻尔半径，式中m是电子的质量，ћ＝h/2π，h＝6.62606876（52）×10^-34J•s为“普朗克常量”，是1900年普朗克（M.Planck）为推导符合实验结果的黑体辐射公式而提出的，是当今量子物理学中最基本的普适常量。利用计算开普勒运动能量的办法可以算出定态电子的能量为

\({E_n} = - \frac{{{Z^2}{e^4}m}}{{2{n^2}{\hbar ^2}}}\) ，

上式表明，定态轨道的能量也是离散取值的，每个轨道是一个能级，n愈大，|E_n|愈小，表示能量愈高。设E_nʹ和E_n是原子中电子的两个能级（见图21），当电子从高能级E_nʹ向低能级E_n跃迁时，它将发射一个光子；从低能级E_n向高能级E_nʹ跃迁时吸收一个光子，按照普朗克的量子假说，频率为ν的光子能量为hν，根据能量守恒，

E_nʹ－E_n＝hν，

亦即被发生或吸收的光子频率应满足的条件为

\(\nu = \frac{{{E_n}^\prime - {E_n}}}{h}\)，

此式称为“玻尔频率条件”。玻尔理论解释了大量为经典理论所不能解释的光谱实验事实，并预言了更多的实验现象。

玻尔的理论只是一个过渡的理论，称为“旧量子论”。20世纪20年代建立的量子力学能够更精确地说明原子结构，并给予门捷列夫周期律以详细的解释。

（四）原子核的组成

1919年卢瑟福用α粒子轰击氮时发现有氢核产生，于是他认为，氢核曾经是氮核的组成部分，他把氢核命名为质子（proton），记作p。

到此为止，科学上认证了两种基本粒子——电子和质子，人们很自然地会认为，原子核是由质子和电子组成的。然而卢瑟福在一次演讲中提出猜想：“在某种情况下，也许有可能由一个电子更加紧密地与H核结合在一起，组成一种中性的双子。这样的原子也许有很新颖的特性，……它应很容易进入原子结构内部，或者与核结合在一起，或者被核的强场所分解。……”他认为，如果原子核是由质子和电子组成的，电子只有与质子紧密地结合，才有可能在原子核内稳定地呆下去，他断言：“要解释重元素核的组成，这种原子（指质子与电子紧密结合的中性‘双子’，即‘中子’）的存在看来几乎是必要的。”这便是卢瑟福的中子假说。

1930年德国人玻特（W. Bothe）和他的学生贝克尔（H. Becker）用放射性Po源的α射线轰击Be时，发射出一种穿透力极强的中性射线，他们认为这是一种γ射线。

下一个重要步骤是约里奥-居里夫妇（I.Curie&F.Joliot-Curie）迈出的。他们用Be和B重复玻特和贝克尔的实验，并将含H的石蜡置于Be或B与探测器之间，发现有质子发射。对于Be的情况，质子的能量为4.5MeV（eV（电子伏特）是能量的单位，它相当于电子经过1伏特电压所获得的能量，1eV＝1.60×10^-19J，而1MeV＝10⁶eV），B的情况为2 MeV。他们也认为，从Be或B发出并将石蜡中的H核击出的中性射线是γ射线，并按能量和动量守恒定律估算出γ的能量分别为50 MeV（Be情形）和35 MeV（B情形）。然而居里夫妇没有想到，这数值是大到不太可能发生的，因为原子核内的结合能只有几MeV的数量级。

卢瑟福在发表上述演讲后数月，就让他的学生和助手查德威克（J. Chadwick）共同研究原子核的构成问题，包括探查中子的存在。当查德威克看到并仔细分析了约里奥-居里夫妇的文章后，认为由Be或B发出的中性辐射不仅能在照射含H物质时能撞出质子，在照射其他物质（如He、Li、Be、N、Ar）时也会产生原子核反冲，他用“铍辐射”照射氮时，测出反冲氮核（质量比质子大14倍）的能量为1～1.4 MeV，若坚持认为这种“铍辐射”是γ射线，则估算起来γ光子的能量至少有90 MeV左右！

为什么将这种奇怪的“铍辐射”照射在不同的物质上，有如此巨大而不同的能量呢？γ射线的假设是值得怀疑的。光子太“轻”了，它们不能有效地把能量传递给反冲原子核。一个合理的假设，应认为构成这种奇怪“辐射”的是一种质量与质子差不多的粒子，即卢瑟福所设想的“中子”。这正是查德威克的结论。他首次发表“中子可能存在”的文章，并在紧跟着的文章中宣布了中子质量的测定结果，于是中子（neutron）诞生了，并被记作n。为此，查德威克荣获了1935年诺贝尔物理学奖，约里奥-居里夫妇则因判断失误，与诺贝尔物理学奖失之交臂。

在查德威克发现中子后不久，伊凡年科（D. Ivanenko）、海森伯（W. Heisenberg）等人相继提出，原子核是由质子和中子组成的。中子和质子的质量差不多。一个质量数为A、电荷数为Z的原子核包含Z个质子和A－Z个中子，组成原子核的质子和中子统称“核子”（nucleon）。

（五）夸克与粒子物理的标准模型

粒子物理是研究物质最基本结构的学科。 1897年J.J.汤姆孙发现了电子e^-，1919年卢瑟福发现了质子p。所以，在20世纪20年代人们普遍认为，所有物质都是由质子和电子组成的。然而30年代和40年代以来，核物理、宇宙线的实验发现和量子力学的理论研究，对这种观点产生了很大冲击。物理学家们在探讨什么是构成物质的基本单元时，愈来愈感到问题复杂，值得专门研究。于是诞生了一门新学科——基本粒子物理。到了60年代，发现当时已知的基本粒子（如电子和质子）在结构上并不属于同一层次，于是国际间就把“基本”二字去掉，改称“粒子物理”。

现已在实验中发现、可以自由状态存在的粒子，按它们参与相互作用的性质，可分类如下表：

下面对此表作些必要的解释：

（1）每种粒子都有对应的反粒子，粒子和反粒子具有相同的质量和自旋（见下文），具有相反的电荷和其他量子数（如重子数B等，见下文）。通常用字符上加横线表示反粒子，有的粒子的反粒子就是粒子本身，如光子。

（2）粒子间的相互作用有四种：强作用、电磁作用、弱作用、引力作用，它们的相对强度为1∶0.05∶4×10^-9∶4×10^-39。

（3）守恒量或称量子数，是在粒子反应过程中的不变量。为了下文需要，我们特别提出两守恒量：自旋和重子数B。自旋是粒子的内禀角动量，介子的自旋为0，上表中所列的重子除n外自旋为1/2。n的自旋为3/2（以ћ为单位）。此外，重子的B＝1，反重子的B＝－1，非重子的B＝0。

回顾历史上人们对物质构成基元的看法：古希腊的哲学家认为万物由土、空气、水、火四种元素组成，中国古代则有金、木、水、火、土五行之说。近代化学家认识到，物质由原子组成，而原子是不可分割的，到20世纪初期，列在周期表里的元素达几十种，同位素达几百种。人们不相信，这么多种类的原子都是最基本的，它们应由更基本的成分组成。1919年，物理学家知道了两种更“基本”的粒子——电子和质子。也许还应加上γ光子，虽然那时对光的波粒二象性的认识还不算充分。于是物理学家就认为，所有原子都是由电子和质子组成的。到了1933年，人们又发现中子、正反中微子三种粒子，“基本粒子”的数目增加到7种。1944年，在物理学家手中的“基本粒子”清单中又添了两种μ子，三种π介子，和反质子、反中子，使总数达到14种。随着实验技术、特别是加速器的发展，到了1960年代，“基本粒子”的清单再次扩充到几百种，物理学家开始怀疑了，难道这么多粒子都是基本的？

从实验迹象看，光子和轻子确实像没有内部结构的“点粒子”，强子则不然。1950年代后期霍夫斯塔特（R.Hofstadter）小组用高能电子轰击质子和中子，发现它们的半径为0.8fm范围内电荷有一定的分布，亦即，它们是有内部结构的。早在20世纪40年代末，费米和杨振宁提出了一个介子结构模型：

π⁺＝p\(\bar n\)，π^-＝\(\bar p\)n，π⁰＝\(\frac{1}{{\sqrt 2 }}(p\bar p - n\bar n)\)。

1947年发现了奇异粒子（见前表）。1956年坂田昌一发展了介子的结构模型，认为基本粒子除p和n外还要另加一个奇异粒子Λ，K介子是它们中的一个粒子和一个反粒子组成：

K⁺＝p\(\bar \Lambda \)，K⁰＝n\(\bar \Lambda \)；

\({\bar K^0}\)＝Λ\(\bar n\)，K^-＝Λ\(\bar p\)。

此外还有p\(\bar p\)、n\(\bar n\)和Λ\(\bar \Lambda \)三种结构方式，π⁰是它们的一种组合，另两种组合预言了两种当时尚未发现的粒子η和ηʹ，这为坂田昌一的理论赢得了声誉。

研究粒子物理的强大数学工具是对称性理论。从一种叫做SU（3）的对称性理论可以导出单重态、八重态、十重态等组合状态。坂田的模型中ηʹ介子是单重态，其余八个介子构成八重态。这种对称性可用图22来表示，值得注意的是，p、n、Σ⁺、Σ⁰、Σ^-、Λ、Ξ⁰、Ξ^-这八个重子也可以构成八重态，画在图上与坂田昌一的介子八重态一模一样（见图23）。但是这八个重子自旋都是1/2，质量也相差不远，很难设想其中三个是基本的，其余五个是由它们组成的复合粒子。这一事实使盖尔曼（Murray Gell-Mann）和涅曼（Y. Neeman）暂且撇开什么是更基本的粒子问题，转而研究SU（3）对称性。

粒子物理实验曾发现一批寿命非常短的粒子（10^-24s量级），叫做“共振粒子”，盖尔曼等利用一批自旋为3/2的共振粒子构建了一张十重态图，如图24所示。在这张图里有一个空值（见图中“？”处），这可能是一个尚未发现的粒子，盖尔曼将这粒子叫做Ω^-，从理论上预言它的质量为1683 MeV，寿命在10^-10s量级，远大于共振粒子，美国布鲁克海文实验室于1964年发现了Ω^-粒子，测定其质量为（1672.45士0.29）MeV，寿命为（0.821士0.011）×10^-10s，与理论预言符合得非常好。

坂田模型以p、n、Λ为构造强子的基础，组成介子时用一个粒子和一个反粒子，组成重子时就得用三个粒子。如果按坂田模型，这些粒子是重子的话，自旋为1/2的八重态和自旋为3/2的十重态的重子数B＝3，而不是B＝1。因此组成强子的基础，应该是B＝1/3的粒子。不仅如此，这种粒子的电荷也应该是分数的（1/3或2/3）！分数电荷的思想听起来令人吃惊，这就是1963～1964年盖尔曼和茨维格（G. Zweig）独立地在坂田模型基础上提出的夸克模型，为什么把这种粒子叫做“夸克（quark）”？盖尔曼借用了长诗《芬尼根的彻夜祭》中的一句：“向麦克老大三呼夸克。”这里夸克是海鸟的叫声。用三声呼唤来称呼三个基本粒子，也算是别出心裁。茨维格把这种粒子叫做ace（纸牌或骰子的“幺点”），我国学者称之为“层子（straton）”，取这也不过是物质结构的一个层次之意，这些都没有叫开来。

夸克之间的相互作用是强相互作用，由三个夸克组成的重子之间的相互作用却不那么强。这好像原子中电子与原子核之间的库仑力较强，而电中性分子之间的相互作用是剩余的偶极力，比整体带电的粒子间的相互作用弱多了。电磁相互作用的“荷”——电荷有正负两种，它们在一起，对外的影响可以抵消。夸克有三种，故强相互作用的“荷”有三种，放在一起对外的影响可以抵消。用什么我们熟知的事物来比喻呢？那就是红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色，把它们合在一起成白色，相互抵消了！所以强相互作用的“荷”叫“色荷”，夸克有红、绿、蓝三色，分别带相应颜色的色荷，介子由一个夸克和一个反夸克组成，所以反夸克的颜色是夸克的补色，组成介子时合成白色。

从另外的角度看，正像坂田模型用三种不同的粒子p、n、Λ构造强子一样，夸克模型里构造强子的三种夸克也应是不同的夸克，并不简单是色的差异。如何描述夸克在这方面的区别呢？冰淇淋除颜色的差异外，还有香草、草莓、巧克力等味道的不同，物理学家把夸克这方面的分类叫“味（flavor）”。起初夸克有上（u）、下（d）、奇异（s）三味，后来又发现粲（c）、底（b）、顶（t）三味，共计六味。三色六味共18种夸克（见图25）。再加上它们的反粒子，共36种夸克。

1960年代以来，物理学关于粒子世界物质结构和运动基本规律的认识有了重大的突破，形成了粒子物理的标准模型。

标准模型认为，微观物质的基本相互作用有三种：色相互作用，电弱相互作用和引力相互作用，色相互作用在实验中表现为强相互作用，电弱相互作用在能量低于250 GeV时对称性自发破缺，分解成电磁相互作用和弱相互作用。

在标准模型中，目前认为是点粒子的同层次粒子分为三大类，计62种。

（1）规范玻色子：13种

它们是基本相互作用的媒介粒子。

其中引力子目前还只是理论上的概念。

（2）费米子：48种

轻子中，中微子和反中微子6种；电子等荷电轻子及其反粒子6种，计12种。夸克三色六味，加上反粒子，共36种。

（3）希格斯粒子：1种

按照电弱统一理论，电磁相互作用和弱相互作用本来是某种统一的电弱相互作用，具有较高的对称性。电弱相互作用的4种媒介粒子都没有静质量，所有的费米子也没有静质量。但在能量较低的范围内，对称性自发破缺了，统一的电弱相互作用分解成性质极不相同的电磁相互作用和弱相互作用。同时，除中微子外，所有其他费米子都获得了质量。电弱相互作用对称性自发破缺的实现，要求自然界存在一种自旋为0的特殊粒子，叫“希格斯粒子”（Higgs particle）。在实现对称性自发破缺后，自然界至少应有一种中性的希格斯粒子存在。理论上对这个粒子许多方面都有预言，但对它的质量没有预言，目前希格斯粒子还没有找到。

总之，在上述标准模型的62种粒子中实验上已肯定的有60种，只引力子和希格斯粒子还没有找到。这是20世纪后半叶粒子物理辉煌成就的总结。

在此世纪之交，谁也不会认为，这是人们对物质基本结构的终极认识，突破这个标准模型的迹象不少，普遍的看法是，占宇宙99%的暗物质、暗能量恐怕就难以纳入达标准模型的框架。

（六）物质无限可分吗？

我们已看到，强子由夸克组成，夸克与夸克通过色相互作用结合在一起，电磁相互作用是以光子为媒介的，色相互作用则通过一类名叫“胶子”（gluon）的玻色子来传递。胶子与光子一样没有静质量，但与光子不带电荷不同，胶子却带色荷-反色荷，夸克在吸收或放出一个胶子时会改变颜色，例如一个R夸克吸收一个\(\overline {BR} \)胶子时变成B夸克。不带电的光子只有一种，带色的胶子有8种。

迄今为止，实验中没有直接观察到自由的（即单独存在的）夸克或胶子，这是因为色相互作用具有“禁闭”的性质，即色相互作用并不因粒子间距的增大而减弱，所以只有夸克和胶子组成无色的系统时才能独立存在，有色的粒子只能禁锢在系统的内部。图26给色禁闭概念一个形象的解释。强子内部的夸克好像是被一种胶（胶子）连接在一起的小球（a）（图（a））。当人们企图把小球拉开时，胶被拉成弦状（图（b））。但是无论拉多长，弦的力量没有减弱。当你通过作功输入的能量足够产生夸克-反夸克偶对时，一对夸克-反夸克在胶中产生了（图（c））。再拉，弦断了变成两个强子（图（d）），它们都是无色的。亦即，你永远不能成功地解放出带色的夸克，而只能像实验中显示那样，产生出新的无色强子。

虽然夸克和胶子被禁锢在强子内部，但在高能的物理过程中，它们在强子中却可近似地看作无相互作用。这就是所谓色相互作用的“渐近自由”。

在我国有个哲学上的说法，叫“物质无限可分”。当然哲学家对什么叫“分”，可以做种种深奥的解释。我们且朴素地按字面上去理解，即整体在物理上可以分解为若干部分，部分的质量和几何尺寸小于整体。我们从“几何尺寸”方面入手来探讨物质的可分性。根据量子力学的基本原理一一海森伯不确定性原理，若限制一个粒子的空间线度，它的动量将加大。当动量超过p＝mc以上时，它的运动就进入相财论性区域。随着物质层次的深化，其组成部分的质量和限制它空间尺度都愈来愈小。若将物质不断“分”下去，我们迟早会发现，其组成部分都是相对论性的。相对论性粒子在相互作用中不断地转化，每个粒子都失去了它的固有“身份”而无法认证，在议论电子是否可成为原子核的组成部分时，我们已遇到了这样的问题。我们说“核子由三个夸克和若干胶子组成”，这话并不确切，而应说核子内有三个“价夸克”。因为在这里夸克和胶子都是相对论性的，胶子不断地产生正反夸克对，正反夸克对也会湮没为胶子。这些夸克称为“海夸克”，以区别于那三个价夸克。核子内海夸克的数目是不知道的。此外，我们已谈到，由于色禁闭，我们永远不可能从核子或其他强子中“分”出单独的夸克来研究它的基本性质。可见，“物质的可分性”在这一层次上已应受到质疑，遑论“无限可分”？

“物质无限可分论”最初是由坂田昌一的《新基本粒子观对话》引起的，1965年《红旗》杂志重新发表时所加的编者按说；“基本粒子还是可分的。物质是无限可分的，”从此“物质无限可分论”在我国便成为钦定的哲学观点。其实坂田昌一本人并没有明确提出“物质无限可分”这一命题，而是提出了物质层次无限的思想，物质结构是有层次的，已多次为科学的发展所证实，但不等同于物质无限可分。20世纪五六十年代，在物理学中已看到某些“基本粒子”（如重子、介子）有内部结构的迹象，追求它们下一个层次的结构，几乎已成为大家的共识。但能否找到正确的答案，靠的是物理理论（如对称性理论）上的智慧和实验事实的启发和检验，而且认识受到时代的制约，夸克的发现并没有证明“物质无限可分论”的胜利，而是宣告它的终结。

发布时间：2014/1/15 下午12:27:10  阅读次数：7254