基本粒子
我们已经了解到，各种化学元素的原子都具有相当复杂的力学系统，有大量电子围绕着中心的原子核旋转。接下来，难免要问，这些原子核究竟是物质的终极结构单位，还是说能被细分为更小、更简单的部分呢？能否将这92种不同的原子类型缩减为少数几种真正的简单粒子呢？
基于这一考量，在19世纪中叶，英国化学家威廉·蒲劳脱（William Prout）就提出了一种假说，他认为，一切不同化学元素的原子本质上都是相同的，它们只是氢原子不同程度的“聚合”而已。普鲁特的根据是：多数情况下，各元素原子基于化学方式确定出的原子量与氢原子的原子量之比都接近于整数。蒲劳脱认为，由于氧原子的原子量是氢原子的16倍，它一定是由16个氢原子聚合而成的；而原子量为127的碘原子则一定是由127个氢原子聚合而成的，诸如此类。
但是，当时的化学研究非常不支持这种大胆的假设。对原子量的精确测量表明，多数情况下，它们只是非常接近于整数，而少数情况下甚至完全不接近（例如，氯的原子量为35.5。）。这些事实似乎与蒲劳脱的假说直接抵触，这令该假说失去了立足点，蒲劳脱去世时也未能明白该假说已接近真相。
直到1919年，这一假说才凭借英国物理学家阿斯顿（F. W.Aston）的发现拨云见日，他发现，普通的氯是由两种具有相同化学性质的氯原子混合而成的，这两种原子的原子量不同，但都是整数，分别为35和37。化学家测出的非整数35.5只是它们混合后的平均值。[1]
对化学元素的进一步研究揭示了一个惊人的事实，即多数化学元素都是由化学性质相同但原子量不同的几种成分混合而成。它们被称为同位素（isotopes），[2]即在元素周期表中占据相同位置的元素。各种同位素的原子量始终是氢原子量的整数倍，这一事实为蒲劳脱被遗忘的假说赋予了新生。如前文所述，原子的主要质量集中在原子核上，由此，我们可以用现代语言重新定义蒲劳脱的假说，即不同元素的原子核由不同数量的基本的氢原子核组成，而鉴于氢原子核在物质结构中的重要作用，我们给它起了一个特殊的名字：质子！
不过，上述说法还需要做一个重要修正。以氧元素为例。氧在元素周期表中排在第八位，其原子中一定包含8个电子，原子核中一定带有8个正电荷。但氧原子的质量是氢原子的16倍。因此，如果假设氧原子核由8个质子组成，那么电荷数是对的，但原子量是错的（均为8）；而假设它由16个质子组成，则原子量是对的，但电荷数是错的（均为16）。
很明显，要摆脱这一困境，唯一的办法就是假设复杂原子核中的有些质子失去了原有的正电荷，变成了中性粒子。
如今，我们将这种无电荷质子称为中子，卢瑟福早在1920年就指出了中子的存在，但过了12年，人类才在实验中发现它。在此必须注意，质子和中子不应被视为两种完全不同的粒子，而应被视为相同基本粒子（我们现在称此类粒子为“核子”）的两种不同带电状态。实际上，我们已经知道，质子可通过失去正电荷变成中子，中子也能通过获得正电荷变成质子。
将中子作为原子核的结构单位后，前文所述的困境就消失了。为了理解氧原子的原子核有16个质量单位，但只有8个电荷单位，我们必须接受这样一个事实，即它由8个质子和8个中子组成。碘的原子量为127，原子序数为53，因此其原子核由53个质子和74个中子组成，而铀的重核（原子量：238，原子序数：92）由92个质子和146个中子组成。[3]
如此，蒲劳脱的大胆假说在提出近一个世纪后才得到应得的光荣印证，现在我们可以说，无穷无尽的各种已知的物质都是由两种基本粒子以不同方式组合而成：①核子，物质基本粒子，可以不带电，也可以带一个正电荷；②电子，带负电的自由电荷（图7-1）。
图7-1
下面，让我们从《万物烹饪全书》中摘几道食谱，看看宇宙厨房是如何利用丰富的核子和电子烹饪每一道菜的。
水：将8个中性核子和8个带电核子结合，组成原子核，再在外面围绕8个电子，即得到氧原子。将单个电子与单个带电的核子结合，即得到氢原子。为每个氧原子搭配2个氢原子，即形成水分子；将一堆冷的水分子倒在大玻璃杯中，即可上桌。
食盐：将12个中性核子与11个带电核子结合，再搭配11个电子，即得到钠原子。将18或20个中性核子与17个带电核子结合，再搭配17个电子，即得出氯的两种同位素。将钠原子和氯原子按照三维棋盘的形式排列，便可得到普通的盐晶体。
TNT：将6个中性核子和6个带电核子与6个电子结合，制成碳原子。将7个中性核子和7个带电核子与7个电子结合，制成氮原子。根据上文的配方制备氧原子和氢原子（参阅：水）。将6个碳原子连成碳环，在其中一个原子外连接第7个碳原子。在碳环上的3个碳原子旁加入3对氧原子，同时在氧原子和碳原子之间加入1个氮原子。将3个氢原子加入到碳环外的那个碳原子上，并在落单的2个碳原子的位置上各加入1个氢原子。将如此获得的分子以规律的形式排列，组成大量小晶体，再把它们压在一起。注意，操作时务必小心，因为此结构很不稳定，极易爆炸。
虽然如前文所述，中子、质子和带负电的电子构成了我们能想到的所有物质的必要组成部分，但这个基本粒子清单似乎并不完整。实际上，如果普通电子是带负电的自由电荷，那么，为什么不能有带正电的自由电荷，即正电子呢？
同样，如果作为物质基本单位的中子能获得正电荷后变成质子，它难道不能获得负电荷，变成负质子吗？
答案是——正电子确实存在，它与寻常的负电子，除了带电符号不同以外，没什么两样。而负质子也有存在的可能，但目前为止，实验物理学尚未成功检测出负质子[4]。
在我们的物理世界，正电子和负质子（如果有的话）之所以不如负电子和正质子多，是因为这两组粒子可以说是相互对立的。众所周知，一个正电荷和一个负电荷放在一起会相互抵消。这两种电子正是带正电和带负电的自由电荷，因此没法指望它们能“共处一室”。事实上，只要一个正电子遇到一个负电子，两者的电荷就会立即抵消，这两个电子也不再是独立的粒子了。这个过程被称为电子的湮灭，此时，两颗电子的相遇点会产生强烈的电磁辐射（伽马射线），辐射出的能量等于那两颗消失的电子携带的原始能量。根据物理学基本定律，能量既不能凭空产生也不能凭空消失，在这里，能量也只是从自由电荷的静电能转化为了辐射波的辐射能。波恩（Born）教授[5]将这种正负电子相遇引发的现象称为“狂野婚姻”，更阴郁的布朗（Brown）教授[6]则称之为两个电子的“双双殉情”。图7-2a描绘了这一相遇过程。
图7-2 两个电子“湮没”而产生辐射的过程，以及辐射经过原子核附近时“产生”一对电子的过程简图
一对正负电子的“湮灭”过程也对应着电子的“创生”过程，即在强伽马射线的作用下，一对正负电子仿佛凭空产生。我们说“仿佛”，是因为此类电子对的产生是以消耗伽马射线的能量为代价的。实际上，生成一对电子所需的辐射能量正好等于一对电子湮灭所释放的能量。这个过程最容易发生在入射辐射靠近某个原子核的时候[7]，图7-2b描绘了这一过程。这正是一个在原本没有电荷的情况下生成一对正负电荷的例子，但这其实不值得大惊小怪，比如，我们都知道，将一根硬橡胶棒与羊毛材料进行摩擦，它们就会带上相反的电荷。只要有足够的能量，我们可以制造出任意数量的正负电子，但也要明白，这些正负电子很快又会发生湮灭，再次消失不见，将此前消耗的能量丝毫不差地还回去。
关于大规模生产电子对，有一个很有趣的例子，即“宇宙线簇射”现象，它是由星际空间的高能粒子流射入地球大气层时引发的。尽管这些在茫茫宇宙中纵横交错的粒子流的起源仍是科学中的未解之谜，[8]但对于电子以极高的速度撞击大气层外层时会发生什么，我们已有很清晰的认识。当一级高速电子靠近构成大气层的原子的原子核时，它会逐渐失去其原始能量，在轨道上释放出伽马射线（图7-3）。这些辐射会触发许多电子对的生成，新生成的正负电子会沿原始粒子的路径向前推进，这些次级电子也具有很高的能量，因而会产生更多伽马辐射，进而生成更多新的电子对。电子穿过大气层时会多次重复这一倍增过程，因此当一级电子最终抵达海平面时，它身边会伴随着次级电子群，其中一半为正，一半为负。不必说，当高速电子穿过密度更大的物体时，也会产生这种宇宙线簇射现象，而且由于物体的密度更高，簇射的分叉频率也会高得多（参见图版IIa）。
图7-3 宇宙射线簇射的起因
现在，我们来看看有可能存在的负质子的问题，可以想见，这种粒子可能由中子获得一个负电荷形成，或换种说法，由中子失去一个正电荷形成。不难理解，这种负质子也一定和正电子一样，很难在任何普通材料中长时间存在。实际上，它们会立即被附近带正电的原子核吸引和吸收，并最有可能在进入原子核的结构后变成中子。因此，即便这样的质子确实作为基本粒子的对称性粒子而存在于物质当中，要检测到它们也不会是一件容易的事。别忘了，在普通负电子概念被引入科学领域的近半个世纪后，人们才发现正电子。假如负质子可能存在，我们可以设想，所谓的反原子和反分子也可能存在。它们的原子核是由普通中子和负质子构成，周围则围绕着正电子。这些反原子的性质与普通原子完全相同，因此，我们完全分辨不出水和反水，黄油和反黄油等。除非我们将普通物质和反物质放在一起。但是，一旦这两种物质聚在一起，带相反电荷的电子就会立即湮灭，而带相反电荷的核子也会立即中和，这会导致混合物发生爆炸，释放超出原子弹爆炸的能量。按照我们所了解的情况，如果真存在一个由此类反物质构建的星系，那么，从我们的太阳系扔一块普通石头到那个星系，或者反过来，从那个星系取一块寻常的石头扔到我们的星系，石头都会在抵达时立刻变成一颗“原子弹”。
现在，我们必须将关于反原子的奇思妙想就此打住，转而思考另一种同样颇不寻常的基本粒子，它会出现在各种可观察到的物理过程中，这就是所谓的“中微子”，它是通过“后门”进入物理学的。尽管四处传来针对中微子的鞭笞挞伐，但如今，它已经在基本粒子的家族中站稳了脚跟。如何发现和识别中微子已成为现代科学中最令人兴奋的侦探故事之一。
中微子的存在是通过一种被数学家称为“归谬法”的方法发现的。这个令人兴奋的发现不是始于看到了什么，而是始于没有看到什么。没有看到的是一些能量，而根据最古老、最牢固的物理学定律——能量既不能凭空产生也不能凭空消失，因此，本应存在的能量不见了，一定意味着有一个“小偷”或一伙“小偷”把能量偷走了。由此，尽管并未亲眼看见这些能量窃贼，热爱秩序、热爱为事物命名的“科学侦探们”还是给它们起了个名字：中微子。
我们讲得太快了。还是先回到这个伟大的“能量盗窃案”上来吧。如前文所述，每个原子的原子核都是由核子构成的，其中约一半不带电（中子），其余的带正电（质子）。如果通过添加一个或几个额外的中子或质子打破原子核中的中子与质子数量相对平衡的状态[9]，一定会发生电荷的调整。如果中子太多，其中一些中子就会释放出负电子（脱离原子核），变成质子。如果质子太多，其中一些质子就会释放出正电子，变成中子。图7-4描绘了这两种过程。原子核的这种电荷调整通常被称为β衰变，从核内释放出的电子称为β粒子。由于原子核的内部转变是一个明确的过程，因此总会释放出固定的能量，并由射出的电子传导。因此，我们预测，固定物质射出的电子的速度一定是相同的。然而，有关β衰变过程的观测证据与这一预测直接抵触。实际上，我们发现固定物质射出的电子具有从零到某个上限的不同动能。而由于没有发现其他粒子，也不存在能平衡这种差异的辐射，因此β衰变中的“能量失窃情况”就变得更离奇了。人们一度相信，我们发现了著名的能量守恒定律失效的第一个实验证据，这对于所有精心构建的物理理论而言都会是一场灾难。但还有一种可能：丢失的能量是未能观测到的某种新型粒子带走的。泡利提出了一种假说，他认为一种被称为中微子的假想粒子扮演了这里的“巴格达窃贼”的角色，这种粒子不带电，且质量不高于普通电子。实际上，根据有关高速移动的粒子与物质相互作用的已知事实，我们可以得出结论，这种不带电的轻粒子不会被任何现有的物理设备观测到，而且，它能毫不费力地穿透一切巨厚无比的屏障材料。我们知道，一张纤薄的金属膜就能将可见光完全挡住，具有穿透性的X射线和γ射线在穿透几英寸的铅块后，强度会大大降低，但中微子束却能毫不费力地穿透几光年厚的铅！难怪它们永远来无影去无踪，我们只能从它们逃逸造成的能量损耗中察觉到它们来过。
图7-4 负β衰变和正β衰变的示意图
这些中微子一旦离开原子核，我们就再也无法捕获它们，但通过一种方法，我们可以研究它们离开时引起的次级影响。当你使用步枪射击时，后坐力会撞击你的肩膀；大炮发射时，后坐力也会向后压去。以此类推，原子核发射出高速粒子时，应该也会出现同样的力学反冲效应。我们也确实观察到，β衰变过程中，原子核总会在电子射出的反方向上获得一定的速度。但观测显示，无论电子射出的速度是快是慢，原子核的反冲速度始终大体相当（图7-5）。这就有点奇怪了，因为我们会下意识地认为，子弹射出的速度越快，后坐力越强。这个谜题的解释在于，原子核射出电子时，总会附带射出一个中微子，后者会保持能量的平衡。如果电子速度快，带走了大部分可用的能量，中微子的速度就慢，反之，如果电子速度慢，带走的能量较少，中微子的速度就快。如此，在这两个粒子的共同作用下，原子核总会表现出相同强劲的后坐力。如果这一效应还不足以证明中微子的存在，那就没什么能证明了！
图7-5 大炮和核物理的反冲问题
现在，我们将上述讨论总结一下，列出一个构成宇宙的基本成分的完整列表，以及它们之间的关系。
首先是代表基本物质粒子的核子。从目前了解的情况来看，核子要么不带电，要么带正电，但带负电的核子也有存在的可能。
然后是带正电或负电的电子。
还有神秘的中微子，它们不带电，而且根据推测，它们比电子还轻不少。[10]
最后是电磁波，它们在空间中传播电磁力。
以上这些物理世界的基本成分都是相互依存，且以各种方式结合在一起的。比如，中子可以通过发射一个负电子和一个中微子，变成质子（中子→质子+负电子+中微子）。质子也可以通过发射正电子和中微子，变回中子（质子→中子+正电子+中微子）。一对正负电子可以转化为电磁辐射（正电子+负电子→辐射），反之，通过辐射也可以生成一对正负电子（辐射→正电子+负电子）。最后，中微子可与电子结合，形成在宇宙射线中观测到的不稳定粒子，这种粒子被称为介子，也有人不太恰当地称之为“重电子”（中微子+正电子→正介子；中微子+负电子→负介子；中微子+正电子+负电子→中性介子）。
中微子和电子结合后，由于会充满内能，最终的质量会比中微子与电子质量相加重约一百倍。
图7-6 宇宙结构中各种基本粒子的关系图
“但真的到此为止了吗？”你可能会这么问，“我们有什么资格认定核子、电子和中微子就是真正的基本粒子，而不能再进一步分割了呢？仅仅半个世纪以前，人类还认定原子是不可分割的，现在你看看，原子居然拥有这么复杂的结构！”答案是，当然，我们虽然无法预测物质科学的未来发展，但相比之前，我们有更充足的理由相信这些基本粒子确实已经是无法细分的基本单位。因为过去人类认为不可分割的原子仍表现出各种相当复杂的化学、光学和其他性质，而现代物理学的基本粒子的性质却非常简单。实际上，这种简单程度几乎能与几何点的性质相提并论。而且，经典物理学中存在大量“不可分割的原子”，我们现在只剩三种本质上不同的实体：核子、电子和中微子。再说了，就算我们多么渴望和努力把万物化为最简单的形式，也不能把万物化为空无吧。由此来看，追寻物质组成基本要素的路应该已经走到尽头了。[11]