粒子物理学作为一门基础科学,其实与我们每个普通人都息息相关。但是,它的貌似高大上和它的晦涩难懂又让无数人对它敬而远之。作为非专业人士,我们不可能系统地学习粒子物理学,但通过阶段性的知识积累,也能够让我们对整个粒子物理学有更多的理解。说粒子物理学与我们每个人都息息相关,那是因为作为地球生物的我们,都是由内在化学过程极其复杂的细胞分子构成的,而生物体的分子又都是由92种基本元素构成,这92中基本元素又由3个部分组成:质子、中子和电子。
尽管当代物理学家尽了最大的努力,但还是无法将电子拆分成更小的粒子。然而,借助强大的粒子加速器,物理学家深入了质子和中子的内部,发现了名叫夸克的粒子。和电子一样,人们也无法将夸克拆分成更小的粒子,所以目前科学家一致认为,电子和夸克就是宇宙中所有物质的最基本的组成单元。在粒子物理学标准模型中,列出了构成宇宙万物的12种基本粒子,即三代6种夸克和三代6种轻子,另外还有载力子和与粒子质量有关的希格斯玻色子(载力子和玻色子文中暂不讨论)。
要想合成一个质子,你需要2个上夸克(每个带2/3单位的正电荷)和1个下夸克(带1/3单位的负电荷),这样就得到一个单位的正电荷;要想合成一个中子,你需要1个上夸克和2个下夸克,这样中子的电荷数就为零。质子和中子都属于重子,也就是由3个第一代夸克(上夸克和下夸克)组成的粒子。有了质子和中子,你就可以将它们合成原子核,然后加上电子就得到了原子,进而合成分子、细胞和人体。聪明的读者可能会有一个疑问:既然夸克有6种,那么一定会有很多种组合方式,为什么质子和中子偏偏都是由第一代的2种夸克组成呢?
确切地说,要想解释在粒子加速器里看到的粒子所有的性质,仅凭上下夸克是远远不够的,还需要另外4种夸克,即带2/3单位正电荷的粲夸克和顶夸克,它们是第二代夸克;以及带1/3单位负电荷的奇夸克和底夸克,它们是第三代夸克。6种夸克理论上会有56种不同的3夸克组合,但是,我们的宇宙构成物质仅采用了第一代的2种夸克,为什么会这样,至今仍然是宇宙学中的一个未解之谜。(其他夸克组合确实存在,比如3个上夸克组成Δ++粒子或3个下夸克组成Δ-粒子,但这些粒子极不稳定,约0.000000000000001秒就会衰变为普通粒子。)
介绍完夸克,再简单说说其他6种轻子。电子属于轻子,但电子也有质量更大的兄弟,即缈子和陶子,它们3个被统称为轻子世代。每一个轻子又都有一个像幽灵般的质量为零的粒子相伴,这个粒子就是中微子。所以3个轻子分别又有对应的电子中微子、缈子中微子和陶子中微子,呈电中性的它们几乎不与其他粒子相互作用,因此它们能够悄无声息地穿过任何物质而不被察觉。从构成宇宙物质92种基本元素的角度来说,这就是全部了,即6种夸克和6种轻子共12种基本粒子(当然,它们都有各自的反粒子),它们就是宇宙最基本的组成单元。
目前我们可以这样认为,无论你看到的物质多么复杂,都是由几种基本粒子构成的,这些粒子就像乐高积木一样以多种方式组合排列,通过少数几种基本力结合在一起构成了整个宇宙,以及宇宙中的我们,甚至任何其他可能存在的生命形式。