追寻人类开疆辟土的足迹（之五）向基本粒子挑战

万物之源是什么？人们从古希腊时代便有了这个疑问。公元前７世纪的泰勒斯主张
万物皆由“水”构成。公元前５世纪的恩培多克勒认为是由“水”、“火”、“土”、
“空气”所组成。公元前４世纪的亚里士多德也同样建立了“四元素说”，之后出现的
企图把廉价金属提炼成黄金的炼金术便与这项假说有关。公元前５世纪左右，德谟克利
特把不能再加以分割的物质构成要素命名为“ａｔｏｍｏｓ”，他的想法和现在的理论
非常接近，不过有很长一段时间始终未被世人接受。
１７世纪中叶，英国的玻意耳把物质分割到不能再分割下去的东西称为元素，产生
了新的元素观。１８世纪后半叶，法国的拉瓦锡列出３３种元素。近代的元素观可以说
是在拉瓦锡手中建立的。
在拉瓦锡的“质量守恒定律”和法国普鲁斯特理论之后，英国的道耳顿在１９世纪
初叶提出了“原子说”。道耳顿的原子说虽不完全正确，但却和今天的理论有着密切的
联系。
原子里面有构造
１８９７年，英国的汤姆孙发现：真空放电之际，从阴极射出的阴极射线是带有负
电荷的微小粒子波，从而发现了电子。
１９１１年，卢瑟福在做用放射线轰击金箔的实验时，发现原子里面具有原子核，
而并非是“不能分割的东西”。１９３２年，英国的查德威克发现了中子。
在得知原子核是由质子和中子组成之后，人们便认识到不同种类的元素是由于构成
原子的质子、中子和电子的数目不同所造成的。
由于卢瑟福的实验利用的是能量很低的自然放射线，所以无法看到比原子核更小的
世界。
从１９３０年前后起，科学家开始利用粒子加速器进行实验，查德威克之所以能够
发现中子也是借助于粒子加速器的威力。粒子加速器的能量越高，越能探知更微细的构
造。随着粒子加速器的能量增加，微观世界逐渐展现在世人面前。
到达夸克和轻子
由于粒子加速器的发展，质子及中子的同类新粒子陆续被发现，这些粒子被命名为
“强子”，数量超过１００个，但若把这些强子依其性质加以分类，便可发现其中具有
某种规律性。为此，盖耳曼和茨威格在１９６４年分别提出了强子是由更基本的粒子“
夸克”所组成的理论。导入夸克之后，质子和中子的诸多性质及反应都能获得圆满解释
，质子之中有夸克存在于１９６９年获得证实。
目前，我们已经确认了有上下夸克等６种夸克及电子等６种轻子存在，这些夸克和
轻子被认为是物质的最基本构成单位。同时通过对基本粒子的研究，也了解到自然界中
的“弱力”、“强力”、“电磁力”、“重力”是物质之间最基本的四种作用力。
对基本粒子和宇宙起源的共同研究发现，四种力在超高能量状态有可能结合成一种
力。根据大爆炸理论，初生宇宙便是处于这种超高能量状态。大爆炸之后随着宇宙温度
的下降，首先是重力、随后是强力、电磁力和弱力各自分离产生。
统一电磁力和弱力的“电弱理论”已经完成，科学家正在研究加上强力的“大统一
理论”以及再加上重力的“超统一理论”。
１９９４年，唯一未被确认的“顶夸克”被美国费米国立加速器实验室找到了。近
年来，加速器及实验设施的不断改良所引发的物理学新闻不绝于耳。例如１９９７年，
根据日本“超级神冈”的观测结果，显示中微子可能具有质量等等。欧洲核子研究中心
正在建造的名为大型强子对撞机的加速器，预定于２１世纪初叶启动，希望能为我们解
开基本粒子质量及反物质的谜题。

图片说明：道尔顿一八零三年制成了原子量表，元素名的左边画有代表原子的符号
，右边写的是以轻原子质量为一时各个原子的质量。
  　卢瑟福于１９１１年发现原子并非终极的构成要素，２０世纪的基本粒子物理学在
卢瑟福这项发现之后不到１００年的时间内便到达了夸克和轻子。
进入２０世纪之后，首先是在原子之中发现原子核，进一步又发现原子核是
由质子和中子所构成，如今则推测质子和中子也是由夸克所组成。
欧洲核子中心的超大型加速器ＬＥＰ的全周长，白色圆圈的地底下约１００
米深处有个大约２７公里的环，２０世纪的基本粒子物理学随着加速器的大型化
而日渐蓬勃发展。