粒子物理
第一节 粒子物理的开端：反粒子
原子物理、核物理的研究对象都是原子以及原子内部，而粒子物理的研究尺度比核物理还要小。为什么我们要关注这么小的尺度呢？首先，是因为，很显然，原子核以内还有质子、中子以及介子这样性质各不相同的微观粒子，既然性质不同，那势必要追问它们有没有更加基本的组成单位。其次，20世纪30年代，由于实验水平的进步，人类观测宇宙射线成为可能。科学家们发现从宇宙辐射到地球表面的宇宙射线里有很多奇特的粒子。粒子物理的范围很广，它把所有基本粒子都作为对象，研究它们的个体性质以及它们间的相互作用。
所以说，粒子物理是更全面的研究基本粒子的物理学领域。
粒子物理要考虑相对论
当我们开始广泛地研究所有基本粒子，而不仅仅局限在原子核中时，微观粒子的物理规律就会复杂得多。比如宇宙中有大量的宇宙射线，这些射线中有各种各样的微观粒子。这些粒子的运动速度极快，甚至接近光速。在高速下，必须要考虑狭义相对论。
根据狭义相对论，高速运动的粒子性质会大为不同。我们在“极快篇”第一章《狭义相对论》的钟慢效应和尺缩效应中提过：高速运动状态下粒子的寿命会变长。因此，要从理论上全面探讨粒子行为，就必须把狭义相对论的效果加入粒子物理的研究中。瑞典物理学家克莱恩（Oskar Klein）、德国物理学家戈尔登（Walter Gordon）以及英国物理学家狄拉克率先做了这项工作。
狭义相对论与量子力学的结合
我们知道，微观粒子都是满足量子力学规律的，它们的波函数可以用薛定谔方程描述。凡是涉及相对论的理论，光速一定是其表达式中的一个必备常数。但是薛定谔方程里没有光速，它不考虑相对论效应，因此，薛定谔方程不足以描述快速运动粒子的量子力学状态。
狄拉克率先把狭义相对论引入了量子力学，但严格来说，狄拉克不是第一人，最早做这项工作的是德国哥廷根大学的戈登和克莱恩。克莱恩-戈登方程研究的是自旋为零的玻色子，狄拉克方程描述的则是自旋为1/2的费米子[除此之外，还有描述自旋为1的有质量的玻色子的布罗卡方程（Proca equation）]。
狄拉克利用费米子的特性，成功地把原本非线性的方程变成了线性方程，使其求解变得非常容易，这就是著名的狄拉克方程。
狄拉克方程怎么求解不是此处要关心的问题，我们要关心的是它的结论。狄拉克方程解出的每种粒子除了都有一个对应的能量以外，还会解出来一个与之对应的能量为负的粒子，并且这种粒子的负能量绝对值的大小，与正常粒子的能量大小相同。这种情况下，一般人都会觉得这种负能量不符合物理学规律，应该被摒弃。
狄拉克的“反粒子”概念
但是狄拉克并没有就此作罢，而是非常认真地思考了负能量的物理意义，于是他得出了反粒子的基本假设。我们在第十二章中提过：在β衰变的过程中，一个中子变成一个质子，并释放出一个电子，以及一个反中微子。这里的反中微子就是中微子的反粒子。
再拿电子来举例，电子带负电，电子有一个带正电的反粒子，叫作正电子。当电子和正电子碰撞时，它们会发生湮灭（annihilation）。湮灭是专有名词，指正反粒子结合在一起就消失了，但是由于能量守恒，它们会转化成能量，以电磁波的形式释放。更广义地说，反粒子是和原来的正粒子量子性质截然相反、质量相同的粒子。
但是负能量是不符合物理学逻辑的。应该如何理解负能量呢？
狄拉克的解释很有开创性。当我们说一个值是负或者正的时候，其实有一个隐含假设：我们心中存在一个零点，比这个零点高的叫正，比它低的叫负。比如说今天是-3℃的时候首先要有一个零度的概念。说一个粒子解出来的能量是负的，其实隐含了我们认为存在一个能量为零的状态。负能量只不过比能量为零的状态能量更低。
首先看一下什么是能量为零的状态。
通常我们认为真空是空无一物的，那么真空所对应的能量就应该为零。而我们谈到负能量，会感觉它的能量比真空的能量还低。其实这不过是参考基准的问题，我们完全可以认为真空的能量不为零。由于正反粒子结合在一起会发生湮灭，我们可以认为真空是正反粒子湮灭以后的状态，也就是正粒子加反粒子等于真空。基于简单的加减，我们可以认为反粒子就是真空里减去一个正粒子。也就是说，我可以从真空里挖出来一个正粒子，剩下的坑就是反粒子。
比如当我晃动一瓶水，如果这瓶水是满的，这时瓶子中是没有气泡的。但是，如果我从瓶子里挖走一滴水，那我就会在这个瓶子里留下一个气泡。当晃动水瓶时，气泡也会动，它的运动形态就好像一个粒子。 反粒子就像这瓶水里的气泡一样，被挖走的水是普通粒子，留下来的气泡就是反粒子。如果把挖走的水再放回去，它会占据气泡的空间，这瓶水就会变得非常平静，像处在真空状态一样。
这个过程可能比较难以想象，既然真空是空无一物的，怎么从里面挖出东西来呢？
真空对于人的存在，就像纯净的水对于一条一辈子活在水里的鱼一样。鱼认为充满水的状态才是空无一物的状态，这时挖走一部分水，在鱼看来就是水里产生一个气泡。鱼看到的气泡还会往上飘，就像一个物体一样。根据狄拉克的理解，反粒子就像真空这片水中被挖走水滴留下的气泡。这就是狄拉克对于反粒子的解释。所以有一个概念叫“狄拉克海”（Diracsea），说的就是可以认为真空就好比是一片海洋，正粒子是海水，反粒子是海底，正粒子的海水把反粒子的海底铺满了，所以真空才显得空无一物，但空无一物其实就是被海水充满的狄拉克海。
不只是电子，每个基本粒子都有自己的反粒子，因为只要考虑相对论，解出负能量是必然的。反粒子之间的量子特性是相反的，比如粒子带正电，其反粒子就会带负电。同种的正反粒子相碰会发生湮灭，转化成能量。
狄拉克率先提出了反粒子的概念，并且不久就被实验验证了。人们在实验室里找到了正电子，随后反质子，也就是带一个负电的质子也被找到了。
此处先强调一下，由于狄拉克方程是描述相对论性的费米子的方程，所以我们说的反粒子，特指费米子拥有自己的反粒子。玻色子也拥有自己的反粒子，但是玻色子的反粒子往往是它自己，如光子的反粒子是它自己，胶子的反粒子也是它们自己，但也并非所有玻色子的反粒子是它自己，如主导弱相互作用的W+与W-玻色子就互为反粒子。这些你现在看来陌生的名字，后文将详细介绍。
用“时间倒流”理解反粒子
关于反粒子的物理意义，还有一层更加大胆的理解：反粒子无非是时间逆向流动的正粒子而已。
我们说过，对于微观尺度下的粒子来说，时间的流向无所谓正向或逆向。空间是可上可下、可前可后，可左可右的。时空一体，和空间一样，时间对于微观粒子来说就是个坐标而已。
一个电子在时间正向流动的方式下从A运动到B，和一个正电子在时间倒流的情况下从B运动到A，这两个过程在物理层面上完全等价。在薛定谔方程中，能量和时间以乘积的形式同时出现，也就是E×t=（-E）×（-t），因为负负得正。一个普通粒子在时间中的运动，就相当于一个能量为负的反粒子在时间逆向流动的过程中的运动。所以说，反粒子无非是一个时间倒流的正粒子而已。
反粒子的发现，可以说是打开了粒子物理研究的一扇大门。
这里的逻辑是这样的：若要广义地研究所有基本粒子，则必讨论宇宙射线，以及用对撞实验把粒子加速到接近光速对粒子的结构进行研究；若讨论宇宙射线，以及用加速器加速粒子，则必考虑速度极快、接近光速运动的基本粒子；若讨论接近光速，则必引入狭义相对论；若引入狭义相对论，则会通过狄拉克方程推论出反粒子的概念。
因此，反粒子的概念是极其重要的，如果没有它，很多反应根本就解释不了。比如，我们将永远无法知道β衰变过程中产生的是一个反中微子。
卡西米尔效应
抛开反粒子，单纯来看负能量的概念，它应当被理解为比真空的能量更低，也就是说真空并非代表能量为零。真空零点能的存在就很好地说明了这一点。真空零点能说的就是真空的能量并不为零，真空不空。
卡西米尔效应就很好地证明了真空零点能的存在。卡西米尔效应的实验装置很简单，把两块金属板靠得非常近，两块金属板之间就会有相互吸引的作用力，并且这并非分子间作用效果。这种吸引效果就是卡西米尔效应，在这种情况下，两块金属板中间的能量就要比真空的能量低，从比真空能量低的意义上来说，这是一种“负能量”。
卡西米尔效应基于量子力学。根据量子力学的不确定性原理，真空并非长期空无一物，而是不断地发生量子涨落，不断地有正反粒子产生再合并到一块儿。这就好像大海的表面，如果你站在高处俯瞰海面，也许会觉得海面很平静，但是如果靠近了看，会发现海面不断会有水滴跳起来又跳回海面消失。真空跟这个情况类似，不断地有正反粒子，也叫正反虚粒子（virtual particle）出现，叫虚粒子是因为它们是不能够长存的实际粒子，实验中也无法探测捕获，它们更像是量子过程的中间过程，转瞬即逝。这些虚粒子的产生与消失也伴随着量子场（quantum field）的变化，譬如电磁场。
在两块金属板中间，这些由量子涨落产生的电磁场会受到一定的限制，就是因为是金属板，金属中电场无法存在，所以存在于金属板中间的电磁场、电磁波的波长是有限制的。金属板的间隙必须是电磁波波长的整数倍，这样的电磁波才能在两块金属板中存在，否则无法满足电磁波的振幅在金属板处为零这个条件。也就是在金属板当中，只有特定频率的电磁波（量子化的电磁场）是可以存在的。但是金属板的外部却不一样，金属板外部是无限广阔的空间，任何波长的电磁波都可以存在。所以这样一比，就发现两块金属板当中的能量要比金属板外的真空的能量要低，这就是真空零点能的体现。也正是因为如此，金属板中的能量被认为是负能量。
第二节 夸克模型（quarkmodel）
构成质子和中子的更小粒子：夸克
原子核是由质子和中子构成的，介子提供的强相互作用力克服了质子之间的库仑斥力，把质子和中子绑在一起，从而形成了稳定的原子核结构。当然介子的种类有很多，有带电的，也有不带电的。
质子和中子性质不同，质量却差不多。那么它们有没有什么内部结构呢？答案当然是有的，这就是夸克。
夸克是被称为“粒子物理帝王”的美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）于20世纪60年代提出的理论。夸克理论说的是：质子和中子都有更小的构成单元。除了质子和中子之外，还有其他的重子，一共10种，都分别由三个夸克构成。除此之外，介子应当有9种，在盖尔曼的年代有8种已经被探测到了。不同的介子分别由一个夸克和一个反夸克构成。
既然质子和中子的性质不一样，那么它们所包含的夸克的种类也不一样。根据盖尔曼的理论，他认为夸克有三种，分别是上夸克（up）、下夸克（down），以及奇异夸克（strange）。它们具体性质的差异体现在质量和带电数量上。其中上夸克是最轻的，下夸克比上夸克重一些，奇异夸克比它们都重。这些夸克都是费米子，自旋都是1/2（完整表述是，它们的自旋都是1/2的约化普朗克常数，为了方便，只用数字表述自旋大小）。它们的带电数量不一样，上夸克有2/3个正元电荷，下夸克和奇异夸克都有1/3个负元电荷。
图13-1 质子和中子夸克结构示意图
这里你可能觉得奇怪，我们中学学过：元电荷是电荷数量的最小单位。但是元电荷的概念是实验测量出来的，不代表不存在比它更小的电荷单位。只要实验上能测出这样的电荷单位，这就是可能的。
质子由两个上夸克、一个下夸克构成；中子则由一个上夸克、两个下夸克构成。下夸克比上夸克重，所以中子比质子重，这与实验结果是相符合的。上夸克带2/3个正电，下夸克带1/3个负电，质子电荷数刚好是2×（2/3）-1/3=1，中子电荷数是2/3-2×（1/3）=0，这与质子带一个正电、中子不带电的事实相符。
夸克如何构成质子和中子
明明上夸克和下夸克就可以形成质子和中子，那奇异夸克是干什么用的？为什么盖尔曼要提出奇异夸克呢？这里我们先说一下什么是奇异夸克。简单来说，奇异夸克就是奇异数（strange number）等于-1的夸克。那什么是奇异数？我要用接下来一段论证来回答这个问题。
这要从粒子物理的研究说起。20世纪40年代开始，很多新粒子被不断发现。可以按照质量把粒子的种类分为三档，分别是：重子，包含质子、中子这样质量较大的粒子；轻子，包含电子，以及在β衰变中会产生的中微子这样的粒子，它们的质量很小；介子，它们是质量介乎于重子和轻子之间的中等粒子。其中，电子的质量是质子的1/1800左右，介子的质量是质子的1/6左右。
随着实验的进步，有大量的重子和介子被发现。宇宙射线里就有很多奇特的重子和介子，如K粒子、σ粒子等。这样的粒子，算上质子和中子，多达10种。为了把这10种粒子归类，物理学家们花了很多工夫。他们发现，这些粒子之间能发生反应，还可以互相转变。在研究粒子反应的过程中，科学家们发现很多按照理论看来是可以发生但实验中做不出来的反应，也就是有很多“被禁止”（forbidden）的反应。 这里的“被禁止”是物理学的说法，应该理解为在实验室中无法实现这些反应，但我们不知道是什么机制让这种反应无法发生。
这里可以借用化学反应来进行类比。任何一个反应要能够成功发生，都要遵循一些基本的守恒原则。比如一个化学反应因为不涉及核反应，其反应前后元素种类不能多不能少，且反应前后质量守恒，反应前后每种原子的数量不能变。除此之外，反应前后的总带电量是不变的。比方钠离子（Na+）和硫酸根（SO42-）结合生成硫酸钠（Na2SO4），由于硫酸钠是不带电的，硫酸根有两个负电，钠离子有一个正电，因此最后的硫酸钠的化学式必须是两个钠离子和一个硫酸根结合，这样才能让总的带电量为0，所以就有了中学里我们都学过的化学方程式配平。
粒子的反应过程也应当遵循一定的守恒律，能量不能凭空产生，也不会凭空消失，所以反应前后必遵循能量守恒。除此之外，电荷数要守恒，因为电荷也不能凭空消失或凭空产生。比方反应前是3个正电荷，2个负电荷，总电荷是3-2=1，那么反应后的正电荷和负电荷的总和也必须是1。当然还有类似于动量守恒、角动量守恒等其他守恒律。
算上所有的守恒，在当时还是有很多反应无法发生。这就启示我们：这些粒子应当有新的性质在反应中是要守恒的，但是我们还不知道，所以才会无法预测这些“被禁止”的反应。因为守恒律越多，就意味着约束越多，能产生的反应就越少。
为了解释为什么有些反应无法发生，我们人为发明了奇异数这个概念。规定所有的粒子反应，其反应前后奇异数必须是守恒的。如果不守恒，比如反应前的奇异数加起来是+2，但是反应后的奇异数加起来却是+1，则这个反应无法发生。
有趣的是，在后来粒子物理的发展中，科学家们发现，在很多粒子反应中，实际上奇异数并非严格守恒，只是极其近似为守恒，所以盖尔曼一开始的猜想并非正确，但这依然帮助盖尔曼提出了夸克理论。
通过对存在的粒子反应和无法发生的粒子反应的归纳总结，科学家们发现，奇异数只需要用1、-1和0三个数字来表达就足以解释所有的粒子反应。有了奇异数这个概念以后，就需要奇异夸克了。奇异夸克就是奇异数为-1的夸克，奇异夸克的反粒子，反奇异夸克的奇异数则是1，上下夸克的奇异数都是0。
为什么会有夸克理论
夸克概念的提出，恰恰是因为当时发现的重子和介子数实在太多（重子有10种，介子则有9种）。重子就是那些像质子、中子这样质量比较大的微观粒子。我们最初的目标是去寻找基本粒子。理想情况下，找到的应该是古希腊哲学家德谟克利特提出的真正意义上的“原子”。这个世界上应该只存在虚空和一种“原子”，万事万物都是由“原子”构成的，怎么会越找越多呢？
既然基本的重子有10种，介子有9种之多，怎么还能说它们是基本粒子呢？如果要继续追求原子论，找到物质的单一的基本组成单元，则这些重子必然有更加基本的结构。因此，盖尔曼提出了夸克理论。
他提出的三种夸克是更加基本的存在。如果仔细列举一下，你会发现：三个夸克在一起，每种夸克都有上、下、奇异三种可能性。不考虑排列的先后次序问题，只考虑组合，那么三种夸克的组合，刚好给出10种重子；一个夸克和一个反夸克组成介子，每种夸克也有三种可能，可以给出9种介子。
如果你感兴趣，可以自己列举一下。
表13-1 三种夸克组合成10种重子
除此之外，介子都是玻色子，重子都是费米子。玻色子是自旋为整数的粒子，费米子是自旋为半整数的粒子。这里还蕴含一层逻辑，因为费米子的自旋是半整数。半整数可以拼出整数，比如1=1/2+1/2，但是整数拼不出半整数，例如你找不到两个整数相加等于3/2。由于重子是费米子，那么组成重子的更基本的粒子必然也是费米子，因此夸克必须都是费米子。既然重子是费米子，介子是玻色子，以此可以推测：重子里的夸克数应该是奇数，介子里的夸克数就是偶数。所以，重子由三个夸克组成，介子由两个夸克组成等构想，与所有实验测量结果相吻合。
第三节 夸克的种类和性质
重子和介子都由夸克构成
有了夸克的概念，我们就可以讨论它们是如何构成重子的。包括质子和中子在内，总共有10种重子。既然夸克之间可以相互结合，它们之间的作用力是什么？简单猜测一下，应该是我们之前说过的强相互作用力，因为弱力和电磁力跟强力相比都非常弱。夸克之间也有电磁斥力，而能把夸克锁在一起的也只能是强力了。强相互作用力把夸克绑在一起，三个为一组，形成了重子。由于每一种夸克的性质各不相同，因此组合之下形成的10种重子性质也各不相同。比如有一种重子，叫Δ++粒子，就有两个正电荷，它由三个上夸克组合而成。
有了夸克的概念，我们就可以理解介子如何提供强力了。介子都由一个夸克以及一个反夸克组成。其中，反夸克是夸克的反粒子。当质子和中子接近时，它们内部的夸克相互作用形成介子，通过交换介子产生了强相互作用力。这就是夸克形成重子、介子，以及产生强相互作用力的过程。并且此处的夸克与反夸克结合而成介子，并非一定是同种的夸克和反夸克，可以是一种夸克和另一种夸克的反夸克在一起形成的介子。
但重子的种类远远不止10种，介子的种类也远远不止9种，只是在当时的条件下只发现了这些。
表13-2 介子列表
此处你应当会有一个疑问，为什么介子还可以由同种夸克的正反粒子组合而成？互为正反粒子的夸克在一起不应当湮灭吗，为何还可以形成介子？这里其实涉及了量子力学中的一个概念——束缚态（boundstate）。
其实我们对于束缚态并不陌生，原子中的电子就处在束缚态，我们通过求解电子在原子中的薛定谔方程，解出来的就是量子化的能级，当电子处在这些量子化能级的时候就处在束缚态。电子在原子核正电荷提供的电磁吸引力的作用下被束缚在原子之内。同理，一个夸克和它的反夸克，所带电荷是相反的，那我们同样也可以把它们处理成类似于原子核带的正电荷与电子带的负电荷之间的吸引，唯一差别是原子核要比电子重很多，所以在解原子中电子波函数的时候，我们把原子核看成处在中心不动，但是夸克与反夸克则是双方的运动都要考虑，因为它们的质量是相等的。但是类似的处理方式会告诉我们，夸克和它的反夸克之间，由于所带电荷大小相同，符号相反，所以它们也可以形成类似于原子中电子和原子核的束缚态。只不过这种束缚态不稳定，倾向于发生湮灭，所以这也是为什么像π0介子这样的粒子的寿命只是π+和π-介子的三亿分之一左右，因为π+和π-介子并非由同种夸克的正反粒子组成，没有湮灭的倾向。
接下来就有了一个问题：为什么最多是三个夸克形成重子，两个正反夸克形成介子？为什么不能是四个、五个夸克组成更重的粒子呢？我们依然沿用之前的经验来回答这个问题。既然多了一个限制，就应该多一个约束条件。
夸克之间的强相互作用：色
为了创造新的约束条件，我们要给夸克增加新的性质。这个新性质叫作色荷。我们规定：每种夸克都可以带一个量子属性——色。类比于电荷，色也叫色荷。
色荷一共有三种，借用了光的三原色的概念，这三种色分别是红、绿、蓝。当然，这里的“红绿蓝”只是三个名称而已，不是真的红色、绿色和蓝色。夸克的大小远小于光波波长，是不会存在真实的颜色的。
好比电荷的作用是提供电磁力，色荷的作用就是提供强力，所以强力，也叫色力（color force）。这里色提供强相互作用力的机制，本质是因为它们交换了一种叫胶子的粒子，我们将在第十四章中讲解。研究色的性质的理论，叫色动力学（chromodynamics）。我们有正电荷和负电荷两种电荷，色荷有三种，就像地球上的生物大多有两种性别——雌性和雄性，但可能某个外星上的生物有三种性别。著名的科幻小说家阿西莫夫的小说《神们自己》（The Gods of Themselves），就描绘了一个平行宇宙中的文明拥有三种性别，其中每两种性别交配都可以产生后代，三种性别一起交配就会产生最高级的生物。
有了色的概念以后，我们规定：任何能够在时空中存在的重子必须是白色的。这里的白色类比三原色的概念，红、绿、蓝三色光混在一起就是白色。也就是说，任何一个重子里面的三个夸克，必须分别带红、绿、蓝三色，这样的粒子才能稳定存在。这就是为什么是三个夸克组成一个重子。因为如果是四个夸克，就没有办法凑成白色。介子是由一个夸克和一个反夸克组成的，反夸克的色是反色。如一个红色的夸克，它的反夸克就是反红色。红色和反红色结合在一起互相抵消，最终也是白色。
这也说明了为什么在实验里从来都没有发现独立的夸克，恰恰是因为单独的夸克只有单色，它不是白色，所以无法独立、稳定地存在。实验里从来没有找到过独立的夸克的想象，对应了一个概念——夸克禁闭，也称色禁闭(colour confinement)。色禁闭现象说的就是，夸克无法独立存在，我们无法通过实验手段分离出独立的夸克，但是也有理论预言，在能量极高的情况下（2万亿开尔文温度的高温），夸克有可能被分离出来，当然这还没有被证实。
如果我们真的尝试去分离夸克，譬如我们想把一个介子里的正反夸克分开，那这个分离的过程可以这样认为：正反夸克之间通过胶子连接，就好像有一根弹簧连接着它们，当你试图往外拉，想把“弹簧”拉断从而分离出两个夸克的时候，弹簧不是被你拉断了，而是在断点处，会形成一对新的正反夸克粒子对，新的正反夸克粒子对与原来的正反夸克两两配对形成两个新的介子，但就是不会让你得到一个单独夸克。
夸克之间能相互转化：味（flavour）
我们现在知道：色负责提供强力；夸克都带电，所以能提供电磁力；夸克都有质量，因此也能提供引力，只不过这个引力非常弱。除此之外，我们在第十二章提到了一种核反应——β衰变。β衰变的原因是弱相互作用力的存在。既然β衰变是中子的行为，中子又由夸克组成，那么从夸克层面上看，β衰变的机制是什么呢？换句话说，弱相互作用力和夸克有什么关系？这就对应了夸克的另一个性质——味。
就盖尔曼的理论来说，夸克的种类有三种，分别是上夸克、下夸克和奇异夸克。这里的“上”“下”“奇异”就是用来区分夸克种类的味。
夸克的味是主导弱相互作用的关键，所以β衰变的发生依靠味。在β衰变的过程中，中子转变为质子，本质是中子中的一个下夸克的味从下变成了上。这个夸克的味发生了转变，所以才有了β衰变。
六种夸克
本来到盖尔曼这里，一切看似很美好。夸克有三种，对应于三种味：上、下、奇异。夸克有色荷，色可以是三种：红、绿、蓝。独立存在的粒子必须是白色的，比如重子，以及由夸克和反夸克组成的介子。但是1974年的时候，粒子物理界发生了一件大事，后来被称为11月革命。美国华裔物理学家丁肇中（Samuel C.C.Ting）与美国物理学家里克特（Burton Ricthter）领导的两个实验小组，各自独立地发现了一种非常奇特的介子。这种介子的质量非常之大，甚至是质子的三倍。它的质量完全不像一个介子，是一种前所未见的新介子。
这种介子后来被证明是由一种新的夸克和它自身的反夸克组成的。这种夸克有不同的味，后来被命名为粲夸克（charm）。它有2/3的正电荷以及1/2的自旋，但质量非常大，甚至比质子的质量还要大。丁肇中把这种介子命名为“J 介子”，里克特则是把它命名为ψ介子，所以这种介子叫作J/ψ介子，丁肇中与里克特也因为这项发现共同获得了1976年的诺贝尔物理学奖。但是粲夸克还不是最后的夸克，随着实验水平的进步，又有两种新的夸克被发现了，它们是质量更大的顶夸克和底夸克。这三种新的夸克，说明可能存在更多新的重子和介子，它们也大多在实验室里被找到了。
至此，我们对基本粒子的理解又进了一步。原子核里的情况我们都清楚了，甚至重子、介子我们都有所了解。总的来说，有6种夸克组成了所有的重子和介子，每种夸克都可以拥有三种不同的色。当然，这里还包含了它们的反粒子。算上反夸克，一共有36种夸克。重子和介子可以统称为强子（hadron），因为它们都是夸克通过强相互作用力结合在一起而形成的。
但是不要忘了，除了强子以外还有其他种类的粒子。宇宙中并非所有的粒子都由夸克组成，其他比较轻的基本粒子，比如电子，目前看来跟夸克和强力没有直接关系。通过对夸克的学习和了解，我们知道了如何去解释那些质量比较大且参与强相互作用的粒子。但是还有一大批粒子，并不参与强相互作用，它们是另外一批粒子，叫作轻子。
第四节 中微子
讨论完了夸克，我们来看看基本粒子家族中的另外一组成员——轻 子。
按照质量的大小，可以将基本粒子由重到轻分为三类，分别是重子、介子和轻子。但是随着粒子物理学的发展，这样的分类就变得不那么合理了，因为重子和介子都是由夸克和反夸克通过强力联系在一起的，根据夸克模型，它们都可以被归类为强子。
实验目前探测到的轻子一共有6种，都不参与强相互作用。如果算上它们的反粒子，一共有12种，其中包括最常见的电子，以及在第十二章《核物理》中讨论β衰变的时候讲过的中微子和反中微子。
电子和中微子确实是非常轻的，但是其他的轻子，比如τ（tào）粒子，它的质量近乎质子的两倍，所以，再用质量的大小来划分粒子的种类就不那么合适了。既然不能用质量的大小来划分粒子的种类，又应该怎么划分呢？答案是通过作用力。我们知道，夸克同时具有强相互作用力、电磁相互作用力和弱相互作用力，也就是夸克同时具有色、电、味。所以由夸克组成的粒子，原则上都同时具有这三种相互作用。轻子就不一样了，轻子只能参与电磁相互作用和弱相互作用。强子和轻子的主要区别就是强子可以参与强相互作用，轻子不行。
如果轻子只有电子，那么只要研究清楚夸克，粒子物理的研究就差不多了。但中微子的发现，可以说是直接开启了粒子物理中的新篇章。
β衰变中的诡异现象
中微子的发现道路非常曲折，因为它实在是太轻、太小了。中微子的质量只有电子的几百万分之一，实验中一开始根本没有办法直接探测到它，并且中微子的质量具体是多少，我们还不清楚，只知道它的静质量十分接近于0，但并不是0。
既然实验上探测不到，我们又是怎么意识到中微子的存在的呢？这要从第十二章说到的β衰变开始。最早β衰变现象被发现的时候，人们连中子的存在都不知道。我们只知道有这样一种反应：一种粒子A经历了一个核反应，可以转化成一种粒子B，并放出一个电子。根据电荷守恒，B粒子肯定要比A粒子多一个正电荷，这种核反应就是β衰变。
但是在研究β衰变的时候，出现了一件非常诡异的事情。我们知道，任何反应都要遵循一定的守恒律，比如反应前后的能量和动量必须守恒。但是如果去测量β衰变反应前后的能量，会发现有一部分能量凭空消失了。从实验结果上看，一个A粒子反应后只放出了一个B粒子和一个电子，没有其他的粒子被放出来，但是反应后B粒子的能量和电子的能量加起来却比A粒子的能量小，这个现象十分奇怪。
能量守恒定律虽然无法用演绎法证明，但是它一直被认为是一条铁律。据说当时著名的物理学家玻尔，已经准备要放弃能量守恒定律了。
中微子是什么？
著名奥地利理论物理学家泡利认为，这种能量消失的现象应该被解释为还有一种新粒子产生。只是这种粒子是电中性的，并且质量非常小，以当时的实验手段，人们根本探测不到它。
泡利一开始把这种粒子命名为“中子”，那时我们现在知道的中子还没有被发现。直到查德威克发现了中子，才把中子的名字给占据了。但这毕竟只是泡利的一个猜想，并没有被证实，玻尔还曾经反对过泡利的这个假说。
后来，著名的意大利裔美国物理学家费米提出了弱相互作用的概念。他认为是弱相互作用主导了β衰变，同时预言了泡利提出的新粒子的存在，并将其命名为中微子。这其实是意大利的命名规则，在一个性质后面加-ino，表示很小的意思，因此neutrino被翻译成中微子。后来我们才知道，β衰变后产生的中微子其实是一个反中微子。
中微子如何被验证？
即便发展到了费米的理论，长期以来，中微子、反中微子也只是一种假说。它不过是因为科学家们深深相信能量守恒定律的正确性，而不得不加上去的。根据理论预言，中微子非常小，并且不带电，实验中要找到它非常困难。直到20世纪50年代，两位美国物理学家柯万（Clyde L.Cowan）和莱因斯（Frederick Reines）才用大规模的实验仪器找到它。
要通过实验找到中微子，首先要推测中微子的性质。中微子很小很轻，单个中微子跟实验仪器的反应非常弱。如果要直接找到中微子，必须要有大量中微子集中在一起才行。柯万和莱因斯的实验就利用了核反应堆来产生大量中微子。
核裂变本质上是发生大量的β衰变的过程。因为β衰变发生的次数足够多，所以核反应释放的能量极大。如果确实如理论预言，β衰变有反中微子产生，那么核反应堆产生中微子的数量应该是巨大的。
我们在第十二章《核物理》中说过，β衰变本质上是一个中子在弱力作用下变成一个质子，并释放出一个电子和一个反中微子的过程。如果反中微子真的存在，用它以足够的能量去撞击一个质子，就有可能让β衰变的过程逆向进行，生成一个中子和一个正电子。这个用来探测中微子的物理过程，最早由中国物理学家王淦昌提出，王淦昌于1942在美国的学术期刊《物理评论》（Physical Review）上发表了一篇名为《关于探测中微子的一个建议》的文章，其中便叙述了类似过程。
中微子探测的反应过程：
柯万和莱因斯实验的目标，就是让大量的反中微子撞击质子，观察是否能产生正电子和中子。首先，核反应堆的β辐射产生大量的反中微子解决了中微子源的问题。接下来，需要大量的质子作为被反中微子轰击的对象。很显然，水分子里有大量质子，于是柯万和莱因斯用一大缸纯净的水来提供质子。如果反应成立，实验会产生中子和正电子。正电子是电子的反粒子，两种粒子碰到一块儿会发生湮灭，放出两个方向相反的γ光子。
柯万和莱因斯在水缸边放置了一种接收到γ射线会发光的特殊溶液来探测实验产生的光子。除此之外，还要探测反应放出的中子。中子的探测用的是一种特殊物质——氯化镉。氯化镉跟中子反应后，里面的镉元素会变成镉的同位素，再释放一个γ光子。也就是一个反中微子的反应可以发出三个γ光子，前两个反应较快，后一个反应比较慢。正如两位科学家所料，他们确实通过实验探测到了三种γ光子，前两个几乎同时出现，后一个的出现隔了几微秒，由此验证了反中微子的存在。这项实验开始于1951年，成果发表于1956年，柯万于1974年英年早逝，享年54岁，莱恩斯则于1995年获得诺贝尔物理学奖。
至此，轻子家族又多了一员——中微子。但是这还远远不是最终答案，中微子的种类可不止一种，并且除了电子以外，还有非常像电子但又不是电子的其他轻子。
第五节 轻子的种类与特性
目前为止，人们一共发现了6种轻子。电子和中微子是其中2种，其他4种是怎么发现的呢？这里还要重新提一下在第十二章中讲到的日本物理学家汤川秀树。
μ粒子
汤川秀树最早提出了介子的概念。他认为质子和中子之间依靠介子的交换提供的强相互作用力才结合在一起，形成稳固的原子核。通过计算，汤川秀树得出介子的质量应该是质子和中子的1/6左右。要验证这个理论的正确性，就要通过实验去寻找介子的存在。但是介子在实验室中一直没有被找到，甚至汤川秀树本人都开始怀疑介子的理论是错误的。
最后，介子还是在宇宙射线中被找到了。为什么是宇宙射线？介子在实验室里很难找到的一大原因是它的寿命太短，很容易衰变成其他粒子。但是，宇宙射线里的介子速度接近光速，根据相对论的钟慢效应，快速运动的介子的寿命在地面观察者看来会变长不少，所以可以被探测到。1937年，有两个团队分别通过对宇宙射线的研究，找到了符合汤川秀树描述的介子。
本来一切似乎都很美好，但在1946年，罗马的一项关于宇宙射线的研究呈现出了比较奇怪的结果。我们知道，介子提供强相互作用力，也就是介子应当与原子核有非常激烈的反应，因为原子核存在的本质原因就是强力。但是罗马的实验结果显示：宇宙射线中一些很像介子的粒子，它们与原子核的反应却非常微弱。也就是说，这种很像介子的新粒子不参与强相互作用，很明显，这不是汤川秀树预言的介子。
经过仔细的研究，一种新粒子被发现了，这就是μ粒子。这种粒子的质量跟介子很接近，带一个负电荷，也是1/2的自旋。除了质量比电子大不少以外，其他的性质基本和电子差不多。
μ中微子
有了μ粒子之后，轻子家族又多了一个成员。μ粒子可以进行衰变，比如μ粒子可以衰变成一个电子、一个中微子和一个反中微子。
但很快就出现了一个新问题。我们知道，一个粒子和它的反粒子一旦结合就会发生湮灭，放出光子。既然一个μ粒子可以衰变，那么反应产生的中微子和反中微子应当可以湮灭成光子。神奇的是，任何实验当中，我们都没有发现一个μ粒子可以变成一个电子和两个光子的情况。
这说明，这个反应里产生的中微子和反中微子不属于一个类别，中微子不应该只有一种。于是，科学家们发现了一种新的中微子——μ中微子，它是伴随着μ粒子的中微子。这样一来，轻子家族就有了4个成员，分别是电子、中微子、μ粒子和μ中微子。
β衰变里的反中微子，其实是一种更具体的中微子，叫反电子中微子。由于它是第一个被发现的，所以说到中微子，不特别强调的情况下指的就是电子中微子。电子中微子在粒子的反应中总是伴随着电子出现，μ中微子总是伴随着μ粒子出现。
τ粒子与τ中微子
1971年，华裔物理学家蔡永赐（Yung-Su Tsai），通过理论预言提出了一种新的轻子——τ粒子。相应地，τ粒子也应该有自己的中微子——τ中微子。τ粒子和τ中微子分别在1974年、1997年相继被找到。
τ粒子是一种非常重的轻子，它的质量接近质子的两倍。τ粒子是通过电子和正电子的碰撞反应找到的。正电子是电子的反粒子，它们碰在一起的时候，可能会发生湮灭。如果两个粒子的能量足够强，也有可能产生新的粒子，这种粒子就是正、反τ粒子。τ粒子带一个负电，反τ粒子带一个正电。正是因为τ粒子的质量足够大，所以必须要能量足够强的电子和正电子才能够把这部分能量转化成正、反τ粒子的质量。
至此，6种轻子已经都找到了，它们跟夸克家族一样都有6种：电子、电子中微子、μ粒子、μ中微子、τ粒子和τ中微子。
中微子振荡（neutrino oscillation）
6种轻子中的3种中微子（电子中微子、μ中微子、τ中微子）非常神奇，它们之间可以相互转换。一种中微子可以在一定时间后变成另外一种中微子，这种现象叫作中微子振荡。中微子振荡背后的具体原因目前还在研究过程中，并无公认的定论。
中微子振荡的现象可以追溯到对太阳的研究。太阳内部的核反应，总的过程是四个氢结合成一个氦，当然中间有比较复杂的过程。要验证太阳内部的反应是否真的是上述过程，需要通过实验来完成。其中一大验证的方法，就是研究太阳内部核反应所产生的粒子。我们在地球上对太阳做研究也只能研究太阳光，但是由于太阳内部的反应过程非常多，中心核反应产生的光子要从内部射到表面，这个过程需要长达千年之久。
在这些核反应的过程中，有大量的电子中微子产生。为了方便，我们接下来说到中微子，指的就是电子中微子。中微子非常小，非常轻，质量几乎接近于0，且中微子不带电，不参与电磁相互作用，所以中微子一旦产生，可以不受阻碍地从太阳内部射出运动到地球表面。中微子的速度非常接近光速，几乎就是以光速运动，所以新产生的中微子射到地球上也只要8分多钟。通过计算，我们可以测出每秒钟单位面积有多少中微子可以射到地球表面。这个结果是每秒有一千亿个中微子射到一个指甲盖的面积，数量极其庞大。
如果真的测量从太阳里射出来的中微子数，我们就可以判断太阳内部的核反应过程到底是怎样的，这能帮我们更多地了解太阳内部的情况。最早在1968年，美国物理学家戴维斯（Ray Davis）给出了第一个关于太阳中微子的实验结果，但这个结果却让人十分意外。戴维斯探测到的中微子数量仅为理论计算的1/3左右，这就是著名的太阳中微子问题。也就是2/3的中微子，在传播的过程中不见了。
当时大部分物理学家以为是实验做错了，都没当回事。随着实验的精确度提高，大家开始认真对待这个问题——是真的有那么多中微子不见了。1968年，意大利物理学家布庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）提出了一个非常简单的理论。他认为中微子存在振荡现象，也就是随着时间的推移，一种中微子会变成另外一种中微子。太阳里射出的中微子，在传递到地球上的过程中，有一部分已经转变成其他中微子（如μ中微子和τ中微子）了。所以，我们无法探测到像理论里预测的那样多的电子中微子。如果再让它传播一定时间，那么这些中微子又会转回来了，就像一个周而复始旋转的时钟一样。
中微子振荡的理论一开始仅仅是预言，直到2001年才被日本的一个大规模实验设施验证。这个实验设施就是著名的超级神冈探测器，简称Super-K。这个探测器建立在地下1000 米深的一个废矿井中，之所以建在这个位置，是为了屏蔽除了中微子以外的其他宇宙射线的影响。神冈探测器在2001年证实了中微子振荡现象。
切伦科夫辐射
超级神冈中微子探测器探测中微子振荡的方式，是通过中微子与质子反应后产生的切伦科夫辐射实现。
切伦科夫辐射可以被理解为一种介质中的超光速。我们知道，光在介质里的传播速度要比真空中的传播速度低，譬如说光在玻璃里的传播速度只有真空中光速的2/3，光在水里的传播速度是真空中传播速度的3/4。在这样的情况下，电子在水中的运动速度是有可能超过水中的光速的。
我们曾经在“极快篇”讲过，在超声速过程当中，会有新的阻力来源，叫作声障，原因是声源速度突破声速，这时候，由于局部能量密度超高，会产生声爆，声爆是一种高能的机械冲击波。
切伦科夫辐射就是当介质中的电子运动速度超过介质中光速的时候产生的一种辐射，它的原理跟声爆的原理是类似的，电子在运动的时候产生电磁波，电子可以被认为是光源，它的运动速度超过电子在水中激发出的电磁波的速度，就会产生切伦科夫辐射。在核反应堆中，切伦科夫辐射是很常见的，它会发出蓝光。超级神冈探测器就是通过探测中微子和质子反应以后产生的切伦科夫辐射的特性来验证中微子振荡的。
切伦科夫辐射现象是由苏联物理学家切伦科夫（Pavel Cherenkov）提出的，他于1958年因该项研究获得了诺贝尔物理学奖。
第六节 粒子物理的实验方法：对撞机
夸克是如何被验证的？
夸克模型刚被提出的时候，最大的问题就是无法做实验去验证。从之前的推论可以看出，夸克模型的提出，完全是为了应对重子数过多的问题凑出来的。在凑数的过程中，我们不得不人为地加上很多在测量中无法直接获得的性质，比如奇异数、轻子数等。
夸克无法被直接探测，是因为独立存在的粒子必须是“白色”的。夸克具有色荷，单个夸克不是白色，因为夸克禁闭的存在，无法直接在实验室中获得它们。但我们可以通过间接的方法来探测夸克，这就要回到最早发现原子核存在时用的方法了。当时，卢瑟福用氦核去轰击金箔，然后研究氦核的散射情况。他发现只有一小部分氦核是反弹的，大部分穿过了，且有一些偏折的角度。因此他推测：原子不是葡萄干蛋糕结构，而是绝大部分质量集中在核心，原子核非常小。
即便无法直接捕捉到夸克，也可以用类似的方法来证明夸克的存在。如果我们能证明质子或中子中确实有三个子单元存在，那么也能推论出夸克理论的正确性。
夸克理论是这样被证明的：用能量极高的电子去轰击质子，根据电子偏转方向的结果，结果推理出质子当中确实有3个质量集中的团块。如果确认了团块的数量是3，并且在质子和中子之内，比质子和中子更基本，那么其他的电性质、自旋性质大多是必然的导出了。
对撞机的基本原理
夸克理论的证明过程引出了粒子物理实验的一个基本方法——撞。原子核的结构非常稳定，要发生核聚变需要足够高的温度，本质上就是要让原子核的动能极大。如此高的能量能打破原子核原本稳定的结构，迫使它们形成新的原子核。
粒子物理做实验的基本方法，就是把这些微观粒子加速到非常快。快到什么程度？极度接近光速，比如99.999%的光速，再让粒子之间发生激烈的碰撞。越接近光速，粒子能量越高，就越有机会撞出新东西。对撞机的作用是把粒子加速到能量极高的状态，所以粒子物理也叫高能物理。
带电粒子和中性粒子的加速原理是完全不一样的。带电粒子的加速比较简单，因为它带电，可以通过电场让它不断加速。但是粒子被加速以后的速度非常快，接近光速后能在很短时间内运动很长的距离。为了观察这些高速粒子，我们不能让它们加速完就飞走了，要让它们在一个有限范围内活动。因此，对撞机主要是环形的（也有直线加速器，比较著名的是美国斯坦福大学的直线加速器），通过电场让带电粒子加速，并且让这些粒子在环形的管道中运动。
图13-2 LHC的内部管道图
如何让这些粒子转圈呢？答案是磁场。带电粒子在磁场里会受到洛伦兹力的作用，从而做圆周运动。随着粒子运动的速度越来越快，粒子旋转的离心力就越来越大，这时需要更强的磁场来约束它们。对撞机工作的时候，需要十分强大的电流来提供强磁场，但是普通导线无法支撑过大的电流，所以现代先进的加速器用的都是超导线圈。用液氦把线圈的温度降到-270℃左右，使其变成超导线圈。超导线圈没有电阻（resistance），不会发热，因此可以承载十分强大的电流。
但是强电流也是有限的，为了让粒子尽可能地被加速，达到更高的能量等级，对撞机的环行轨道半径必须大，半径大，离心力就会减小，磁约束的难度就没那么大。现代最先进的对撞机是瑞士日内瓦的大型强子对撞机，它的周长差不多是30千米。
然而中性粒子就不好加速了，所以通常情况下，我们不加速中性粒子，而是让它们作为带电粒子的靶子。如果实在要加速，可以通过激光与它们作用，让激光传递能量给它们。
对撞机可以测什么？
我们应该如何测量被撞开的粒子的性质呢？首先，电性质是好测量的。粒子在电场和磁场中会偏转，通过电场和磁场可以了解粒子的荷质比，也就是电荷量与质量的比。除此之外，还有一个非常重要的指标——横截面（crosssection）。
可以想象两个经典小球的碰撞。假设一个桌球撞击另外一个桌球，撞完后，两个球的运动方向都会发生改变。具体改变多少跟什么有关呢？跟两个球具体的碰撞角度以及速度有关，也跟它们的质量有关。
在对撞机中探测碰撞后粒子运动偏转的角度，可以帮助我们获得很多和粒子相关的信息，比如质量。这是因为我们可以调节碰撞时粒子间的相对速度，通过分析不同碰撞情况下的横截面，也就是碰撞后粒子反应的概率在空间角中的分布，便能得到很多关于粒子的信息。
但是现在，粒子物理的研究遇到了很大的阻碍。随着研究尺度的越来越小，要让粒子碰撞后还能产生一些效果，需要的能量就越来越高，这意味着对撞机必须越造越大。LHC的周长长达30km，是世界上最大的对撞机，这台对撞机造了20多年，花费在200亿欧元以上。
图13-3 桌球碰撞
每提升一个对撞能量等级，我们就要花很长的时间以及大笔金钱，投入巨大的人力物力。即便如此，得到的结果还未必令人满意。就是因为这样的现实摆在面前，才导致20世纪80年代以后，粒子物理的研究举步维艰，因为需要的投入太大了。但是如果没有实验数据，理论要进步是很困难的。
我们必须时刻牢记，物理学做研究的方法是：先归纳，后演绎，再验证。实验进步困难，会导致归纳和验证都很困难，因为物理理论是解释现实物质世界的，它不能是空中楼阁。
衰变测试
在前文中，我们多次提到“衰变”概念，譬如β衰变，本质上是中子当中的一个下夸克变成了上夸克并释放出一个电子和一个反中微子的过程，中子中的一个下夸克变成了上夸克之后，中子就变成了质子。这种衰变之所以会发生，是因为能量最低原理。
基本粒子都有衰变成能量更低粒子的倾向，因为能量最低原理更有利于粒子处于稳定状态。中子之所以倾向于发生β衰败，是因为质子的质量比中子小，根据质能方程，质子蕴含的能量比中子低，所以质子比中子稳定得多。中子的半衰期（half-life, 一半的粒子发生衰变所需要的时间）大约为30分钟，而根据理论计算，质子的半衰期基本上比宇宙的寿命都要长，我们至今并未在任何实验中观测到质子发生半衰变（根据理论预言，质子应当可以衰变成一个π0介子和一个正电子）。衰变之后粒子的能量比衰变前粒子的能量低得越多，这种衰变越容易发生，粒子的寿命就越短，譬如π0介子的寿命比π+和π-粒子的寿命短很多（只有后两者三亿分之一寿命），就是因为介子衰变后变成光子，直接就没有静质量了，这种程度的能量降低是剧烈的，因此相应的衰变也是剧烈的。
当然，对于衰变的发生来说，质量的减小并非唯一参考因素，有很多看似能够使得粒子质量减小的衰变是无法发生的，是因为这些衰变过程违背一些守恒律，无法发生。
此处有一个值得注意的事实，就是△++粒子是由三个上夸克组成的，按理说上夸克的质量比下夸克要小，为什么△++粒子的质量反而比两个上夸克和一个下夸克组成的质子，以及一个上夸克和两个下夸克组成的中子的质量还要大呢？这是因为这些强子的质量，并非由夸克的静质量相加得来，而这些夸克通过强相互作用力结合在一起，是有结合能的。这就好像夸克之间有相互连接用的传递强相互作用力的“弹簧”，好比弹簧被压缩和拉伸就会储存弹性势能，夸克之间的这种结合能，体现在了强子的静质量上，也就是强子的静质量等于夸克的静质量加上结合能除以光速的平方，因为E=mc2。很显然，△++的结合能是要高于质子和中子当中夸克的结合能的，所以它很容易衰变成质子和中子。
对于衰变过程的研究，也是粒子物理实验的一大手段。我们可以研究粒子的衰变率（decay rate），譬如将一束粒子射出，沿途探测粒子束的成分，看看射出距离与粒子衰变率的关系，从而反推粒子的性质。
至此，我们对基本粒子的探索已经来到了一个比较高信息的层次了。我们知道，不管是重子还是介子，它们本质都是由6种夸克以及它们的反夸克组成的。夸克是非常基本的粒子，它们甚至无法独立存在。除此之外，还有6种轻子以及它们的反粒子。
除了6种粒子以外，还有4种相互作用，我们已经提到了强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用，再结合“极大篇”讨论过的相互作用，总共4种。
粒子和力的关系是什么？有没有更好的办法，把这些粒子统合在一个框架里？毕竟6这个数字离我们追求的终极，也就是德谟克利特说的万物唯一的组成单元，还有很长一段距离。这实际上是量子场论要研究的领域。你会发现，所谓粒子不过是量子场这盆肥皂水上的肥皂泡而已。