基本粒子究竟是什么？

大千世界，诸相纷呈，千姿百态，无奇不有。人们在思索着，世界的本原是什么？古代许多著名的哲学家曾用主观的臆想和直觉采取了多种多样的回答。比较著名的有古希腊哲学家泰勒斯的万物由水构成；毕达哥拉斯的万物皆数；赫拉克利特的火是万物的本质，万物都在永恒的变化着；巴门尼德的事物的永恒不变性；恩培多克勒的四原素说；以及德谟克利特的原子论。在中国古代也有元气说和五行说等。这些说法中，不乏真知灼见。到了近代，首先，是道尔顿复活了原子论，并且比较令人信服地把原子论置于坚实的科学基础之上。后来，随着人类有意识地改造自然的实验手段的进步，逐渐发现了电子、原子核等。与此同时，人类的科学抽象能力也获得了长足的进步。到1926年，量子力学的确立奠定了现代理论物理的基础。当时，物理学家们眼中的世界还是比较简单的。他们认为世界是电子、光子、质子三种粒子构成。而光子是辐射场量子，因此，构成物质世界的基本砖块只有电子和质子两类基本粒子。但擅长于哲学思考的理论物理学家已提出了某些重要的看法。海森堡在思考了云室中电子的径迹后就问，这径迹真的是电子的轨迹吗？实验中观测到的只不过是一些电离化了的气体离子所凝聚的微小液滴。从这一思考中，他得出了著名的不确定性原理。并进而考虑到电子究竟是什么？难道它不是人们为概括某些现象所作的假设吗？可惜这些想法并没有为物理学家所重视。在随后的年代中，新的粒子不断地发现。自狄拉克1928年从理论上大胆地预言了反粒子的存在并很快被实验物理学家观测到以后，物理学似乎做了一场搜寻基本粒子的游戏。到今天，人们已发现了几百种形形色色的粒子。大多数都是非常短命的。并且，它们之间的相互转化是极为普遍的。因此，物理学家又提出了许多模型和理论，如夸克模型、大统一理论等。这些理论又预言了更深一层次的基本粒子，它们所受的束缚更大。于是，粒子物理学家们花费了昂贵的代价，建造起能量越来越高的加速器，希望不断重温狄拉克时代的美梦——理论上预言的粒子被观测到。然而，对于海森堡的一些看法似乎不大有人注意，物理学家们大都陶醉在他们的收获之中，难以接受相反的观点。

海森堡1975年在德意志物理学年会上作了题为«基本粒子是什么»的报告。在这个报告中，他强调了在基本粒子层次，“分割”与“组合”等词已失去了意义。“基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了”，因为相对论早就表明，质量和能量是一回事，E＝mc2而且也早已在原子弹的爆炸声中为世人所体验。在微观世界中，所谓粒子，只不过是能量在某种对称性限制下的表现形式。两个高能粒子的碰撞会产生众多的粒子，并不能由此断定两个粒子是由这众多的粒子构成。因此，经典意义下的分割和组合已失去了意义。另外，拿夸克模型来说，夸克的质量要比由几个夸克构成的基本粒子的质量大，这种情形显然与常识不相容，原来夸克处于一种极强的束缚之中，束缚能体现为夸克的质量，由此产生了所谓的夸克禁闭。要打破这种禁闭，需要极高的能量，这样高的能量非现在的技术所能达到。所以要不断提高加速器的能量。可是，即使将来某一天发现了自由夸克，人们还是要问夸克是由什么构成的问题。人们也可以提出某种模型，设想夸克由更深一层次的某种粒子构成，而这种粒子的质量比夸克还大，因其所受的束缚比夸克更强，要观测到它需要的能量也更强……这样一种推断是可以无限止地进行下去吗？这就是古典的物质无限可分性必然要遭到的恶性循环。而物质存在基本最小单位的假说，也有难以逾越的障碍。这种无限小的两难推论，从古希腊一直到近代，哲学家们一直试图解决它而难以如愿以偿。然而，现代物理学的发现已使人们可以重新审查这一两难推论。只要把前述问题换个提法，那么，就不是夸克构成粒子，而是两个粒子在某个极限能量以上相碰撞，可以产生夸克，能量越大，可以产生的粒子质量越大。这种大质量粒子在平常是观测不到的。这样，宇宙的本质就是能量和对称性，对称性构成了一些基本的规则，确立了一些限制，只要有足够的能量，在这些限制下就可以形成形形色色的众多粒子。海森堡把粒子与原子和分子的定态相类比，这些定态可以由动力学方程即薛定谔方程加上边界条件来确定。而基本粒子的动力学关系一旦找到，加上边界条件，就可以从理论上预言所有粒子，包括夸克及比夸克质量更大的粒子，直至无穷。就像解薛定谔方程得出的能级可以直趋无穷大，这种基本粒子的方程一旦找到，在某些边界条件下可能也会有无穷大的能级。海森堡晚年致力于寻找这一方程，其精神是可钦佩的，而且其思想也确有过人之处。遗憾的是，现代物理学的主流对之不太重视。究竟海森堡是正确的呢还是错的，只有等待将来作出判决。因此，基本粒子是什么，仍然是一个谜。