夸克是物质分割的极限吗？

我们周围的世界充满着各种各样的物质。从巨大的天体到微不足道的中微子，从与我们生活密切相关的地球到令人毛骨悚然的黑洞。从无生命的矿藏到具有最高智慧的人，……真是无所不包，无奇不有。然而如果我们问一下，这些各具特色的物质形态到底是由什么组成的？是否可把物质无限分割下去？这个问题却并不容易回答。

在人类的早期，人们往往把各种物质形态归结为由某几种具体物质所构成的。例如，古希腊的泰勒斯认为水是万物的本源，恩培多克勒则提出了水、火、土、气四元素说，而中国古代则有著名的“五行说”。

近代科学第—个站得住脚的物质结构理论是道尔顿的原子论，所谓原子论，就是把表现迥异的各种物质形态归结为由某些极其微小、不可再分割的原子所组成（在古希腊语中，原子一词的含义即为不可分割）。其实，早在古希腊和古代中国，就已有了原子论的思想，只是到了近代，才第一次由道尔顿把这一思想肯定下来。后来，意大利人阿伏伽德罗提出了分子学说，补充了道尔顿的原子论。于是，人们形成了这样一种概念：物质由分子组成，分子由原子组成，原子不可分割。

原子真的不可分割吗？早在中国古代，就有人提出过“一尺之锤，日取其半，万世不竭”的思想，只是缺乏实验证据。19世纪后半叶，人们在研究真空放电管时发现了一种阴极射线，阴极射线究竟是什么？人们的看法莫衷一是。在经过了近半个世纪的探索后，英国的J.J.汤姆逊最终确认：阴极射线是一种比原子小得多的粒子——电子。

电子的发现打破了原子不可分割的古老神话。不久，卢瑟福通过实验发现，原子是由极其微小但又占据了原子绝大部分质量的原子核和绕原子核旋转的电子所组成，正像行星绕太阳旋转一样。

进一步的实验表明，原子核是由更基本的粒子质子和中子所组成。与此同时，又发现了与质子、中子、电子属同一层次的为数不多的几个粒子，正电子、中微子、子等，于是物理学家们以为大功告成，他们把这些粒子命名为基本粒子，把它们看作是组成物质世界的“基石”。然而，实验的发展再一次否定了物质分割有极限的思想，大量寿命极短的不稳定粒子的出现促使人们去考虑所谓的基本粒子是否是由更深一层次的粒子所构成的？当时，人们把基本粒子分作两类，一类是轻子（包括电子、中微子等），不参与强相互作用；另一类是占据基本粒子家族绝大多数的强子（包括质子、中子等），它们参与强相互作用。实验发现，强子有内部结构，“基本粒子”不再基本。

1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型。他们认为，所有的强子都是由若干种叫做夸克的更深层次的粒子所组成，这些夸克带分数电荷，它们被禁闭在强子内部，不能脱离强子自由运动，多年来，夸克模型取得了辉煌的成就，理论所预言的J粒子、Y粒子、D粒子，以及深度非弹性散射、三喷注现象等都得到了证实。

夸克模型出现之后，又有人提出夸克是物质分割的极限，因为夸克被禁闭在强子内部，本身也无法直接观察。然而对大自然的好奇心促克人们对夸使是否有内部结构产生兴趣，目前的迹象表明，夸克和轻子可能是由某些更为基本的粒子所组成，夸克和轻子之间具有极大的对称性，根据目前的理论，夸克可分为三代，每代有两种（不计反夸克）轻子也有三代，每代也有两种（不计反轻子），同代夸克与轻子的性质极为相似，各代轻子的质谱比与各代夸克的质谱比也极为相似。大统一理论要求有36个夸克、f2个轻子、24个规范粒子，至于希格斯粒子的数的则更是不可预测，如此多的粒子表明夸克和轻子不可能是物质分割的最小单元。目前探测夸克结构和轻子结构的实验都在进行中，但未取得进展。考虑到原子和原子核的线度相差十万倍，因而可以预料夸克的结构最多只能在10－20米的尺度上显示出来，但目前的实验只能探测到10－17的线度，因而夸克究竟有否内部结构，至今还是一个谜。相信这个谜终究是会解开的。