四
基础还原法的目标无非是要在追根溯源的不断发现中找到构成万物的尽可能少的基本元素或基本粒子。二战结束后的二三十年里，随着观测和实验条件的大大改善，从宇宙射线中观测到的，从高能对撞机中撞出来的，“基本粒子”的清单非但没有缩短，反而越拉越长，现在竟达到了几百种之多！还记得兰姆吧？他的“兰姆位移”引致QED的建立，他也为此获得1955年的诺贝尔物理学奖。在一次演讲中他调侃道：以前每一个基本粒子的发现几乎都要产生一个诺贝尔奖，现在我建议，对每位发现基本粒子的科学家处以1000美元的罚款。
从泰勒斯的一个“始基”，到现在的几百个“基本粒子”，人类几千年统一世界的探索说明了什么道理？夸克模型建立的实践似乎给我们一个启示，世界的简单性不是“发现”出来的，而是“发明”出来的。以观察为基础只能建立“核民主”的世界模型——复杂而无效，而我们一开始就从有效性出发制定理论标准，简单性就向我们发出了会心的微笑。因此科学家变得聪明了起来——不要再费神去“发现”比已发现的几百种基本粒子更基本的粒子，而是去“发明”一个能解释所有这些粒子的尽可能简单优美的理论模型。这就是综合量子力学半个多世纪的理论成果，并且在厚重的经验基础之上，于上世纪六十年代后逐渐建立起来的“粒子物理的标准模型”。
我们来作一下“本质还原”：其实世界只有两种粒子——费米子和玻色子，前者具有半整数的自旋，服从不相容原理，后者具有整数的自旋，不服从不相容原理。由于这种本质规定性，二者在建构世界中担负了不同的角色：前者负责构成有形状有硬度的物质，后者负责传递相互作用力，形像一点：费米子是世界大厦的砖块，玻色子是连接这些砖块的混凝土。
现在我们的思路就清晰多了，已经发现的所有粒子，不管是自然观测到的，还是用加速器制造出来的，无非费米子和玻色子两类，那么要说明这两类粒子，我们最少需要多少个粒子？具体说，最基本的费米子和最基本的玻色子到底是多少？
标准模型告诉我们：最基本的费米子只有三“代”。每一代费米子都有两种夸克（重子）和两个轻子。重子是上型夸克和下型夸克，轻子是电子和中微子。由于每种夸克都有三种颜色，所以每代夸克共有6个，加上2个轻子，每代费米子共8个。
第一代费米子上节已经说得很多清楚了，上型夸克即上夸克（u），下型夸克即下夸克（d），夸克具有质量、电荷、味荷和色荷，分别对应于四种自然力——引力、电磁力、弱力和强力，因此是唯一一种参与所有四种相互作用的基本粒子。电子有一个负电荷，有质量，但没有色荷，因此不参与强相互作用。中微子的全称是“电子中微子”，因为它总是电子的伴生物，是为解释β衰变的能量亏损而发现的，它不带电荷，质量微小到长期以来科学家们认为它没有质量，因此除了弱力，其他的自然力对它几乎不起作用。
其实要解释自然存在的物质，第一代费米子基本上就够用了，第二和第三代费米子解释的是加速器和宇宙射线中观测到的粒子，这些粒子一般都有比较短的半衰期。
第二代费米子的上型夸克是粲夸克（c），下型夸克是奇夸克（s）。作为同型夸克，粲夸克与上夸克，奇夸克与下夸克，具有严格的对称性，除味荷（c和s）外其他的量子数都是一样的，但质量大得多，粲夸克的质量是上夸克的约500倍，奇夸克是下夸克的约20倍。第二代电子叫μ子，相伴的中微子自然是μ子中微子喽。差别也在质量，μ子质量是电子的200倍。怎么那么耳熟呀？对，就是讲汤川秀树时讲到的，安德烈于1937年在宇宙射线中观测到的粒子。1964年茨威格和盖尔曼提出夸克模型时都只有三种夸克，即标准模型里的上、下和奇夸克。奇夸克是为解释从宇宙射线中发现的Κ和Π强子的。当年就有物理学家提出应当增加一个夸克与奇夸克构成一组，与上、下夸克对称。没见过的都是漂亮的，因此给这个假设的夸克起名“粲”（charm，魅力）。1974年两个研究小组同时发现了一个介子，其中一个小组的领导是华裔物理学家丁肇中，把双方起的名字合起来称为“J/ψ介子”。起初认为是正反电子对，但质量对不上号——重达质子的3倍。一琢磨才恍然大悟：原来正是遍寻不得的粲夸克！J/ψ粒子不过是正反粲夸克对。粲夸克的发现使物理共同体相信了夸克模型。丁肇中也因这一重大发现与另一位同时发现这个粒子的物理学家分享了1976年的诺贝尔物理学奖。
第三代费米子是：顶夸克（t）、底夸克（b），τ子和τ子中微子。除了味荷外，最大的差别还是质量。最恐怖是是顶夸克，质量是上夸克的70000倍，粲夸克的134倍，跟一个金原子的质量相当。第三代夸克也是先起名字后生子，名字是1975年一位以色列物理学家起的，1977年底夸克被美国费米实验室发现，而顶夸克则一直到1995年才同样被费米实验室发现。这全靠了对撞机无以伦比的高能量，这种出现概率极低的粒子，在×10-24秒的瞬间就衰变成了其他粒子。这就说明了它为何那么难被发现。顶夸克的发现标志着标准模型建设竣工并且得到公认。
上面所列的“最基本”的费米子总共24个，每个费米子还有它的反粒子，这样算来，标准模型的费米子总共48个。
下来就是玻色子了，它们对应于相互作用力。我们知道，作用力总共四种，但在亚原子粒子的层面，粒子的质量都相对极其微小，引力效应不是可以忽略不计，而是你要“计”也探测不到。因此标准模型只关涉其他三种自然力，包括三类波色子：电磁力——光子；弱核力——W+、W-、Z0波色子；强核力——八种胶子；总共是12种玻色子。玻色子自己是自己的反粒子，因此总共24个玻色子。
好了，有了48个费米子和24个玻色子总共72个基本粒子，我们就可以解释天上地下，一切物质和一切运动。这是一个很漂亮的模型，具有优美的逻辑流形，完美的对称性，从许多粒子先起名后出生我们就可以体会到之一点。奇妙的是，这个模型逻辑需要的所有粒子，全部都被观测验证，具有扎实的经验基础。粒子物理的标准模型不愧是二十世纪物理学天空最耀眼的一颗明星！
那就收工睡觉？且慢！标准模型还有第73个基本粒子——希格斯玻色子，这个粒子目前还没有实验证据。唉！收不了工，觉还是要睡的，明天再开工吧。
图21.9 粒子物理的标准模型
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