1977年4月，科學(xué)家們宣稱，他們確信在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)找到物質(zhì)的終極結(jié)構(gòu)，這就是“夸克”。

由于束縛力使得原子聚集在一起，因此要發(fā)現(xiàn)夸克粒子是極為困難的。

1962年，默里蓋爾曼提出了三種各具不同性質(zhì)的夸克的假說。夸克的特殊之處在于它們應(yīng)該有完全不同的電荷。

在默里蓋爾曼提出他的理論時(shí)，雖然他的辯詞很有說服力，科學(xué)家們還是懷疑能否通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)夸克的存在。

所以從1962年到現(xiàn)在，夸克僅僅作為一種方便的數(shù)學(xué)理論而存在。

可能令人感到奇怪，在這個(gè)現(xiàn)代化的電子時(shí)代，物理學(xué)家對(duì)了解物質(zhì)或萬物的終極結(jié)構(gòu)還要走很長(zhǎng)的一段路。雖然夸克的存在最終可能通過實(shí)驗(yàn)明確證實(shí)，但是許多關(guān)于亞原子粒子以及物質(zhì)內(nèi)部的作用力的本質(zhì)等基本問題尚待發(fā)現(xiàn)。

如果我們回顧探索物質(zhì)奧秘和基本粒子本質(zhì)的科學(xué)思想史，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)很重要的階段，就是在1897年電子的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是物理學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一。

12年后，完成了另一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)，即測(cè)量電子的實(shí)際質(zhì)量和電荷。

從那時(shí)起，各種粒子的質(zhì)量都以電子的質(zhì)量為單位表示。例如，質(zhì)子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836倍。還有，各種已知粒子攜帶的電荷要么恰好等于電子電荷，要么等于電子電荷的整數(shù)倍，要么不帶任何電荷。

夸克的發(fā)現(xiàn)將在物質(zhì)的顛覆性的發(fā)現(xiàn)中邁出重要一步，理由是夸克被認(rèn)為所帶電荷小于電子電荷。正如相對(duì)論和量子力學(xué)理論震動(dòng)了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)夸克所帶的電荷比之前想象的要小同樣會(huì)震動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)。

我們對(duì)它研究的內(nèi)容越多，存在的困境就變得更復(fù)雜和更廣泛了。物理學(xué)家探索物質(zhì)奧秘越是進(jìn)入到物質(zhì)內(nèi)部，他們的任務(wù)就越艱難。

相信天地萬物，從亞原子粒子到星系團(tuán)，都遵循某個(gè)確定的、看不見的法則和秩序，吸引了許多科學(xué)家試圖揭示它的真相。令人大為驚奇的是，大自然的奧秘被發(fā)掘得越多，人們就越清楚宇宙的內(nèi)部設(shè)計(jì)及其存在是合理的還是經(jīng)過精心策劃的。數(shù)學(xué)是了解大自然奧秘不可或缺的方法。精通數(shù)學(xué)概念和推理的人，如哥白尼、伽利略、牛頓、愛因斯坦和其他許多人，都成了科學(xué)之父。

在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域，最近不斷發(fā)現(xiàn)許多難以捉摸的粒子。這些在電子家族、介子、介子和重子中的難以捉摸的粒子有：負(fù)介子、正負(fù)介子、正介子、中性介子、中性介子、正負(fù)和中性介子，僅舉幾例而已。

這些難以捉摸的粒子的確令新生的物理學(xué)家面臨的任務(wù)更加艱難。

已發(fā)現(xiàn)的亞原子的數(shù)量很多，以至于物理學(xué)家蓋爾曼試圖建立一種亞原子粒子周期表，就像門捷列夫把性質(zhì)相似的物質(zhì)元素排列起來一樣。蓋爾曼和他同時(shí)代的人相信，如果通過實(shí)驗(yàn)證明夸克存在，將簡(jiǎn)化排列現(xiàn)象。

這將是在物理學(xué)上開辟了一個(gè)完全不同于相對(duì)論和量子理論時(shí)代的革命時(shí)代。

三個(gè)不同的夸克：p-夸克、N-夸克和L-夸克的電荷合并在一起應(yīng)等于質(zhì)子或電子的電荷。質(zhì)子被確認(rèn)由兩個(gè)P-夸克和一個(gè)N-夸克組成。介子似僅有兩個(gè)不同夸克結(jié)合而成。事實(shí)上，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子是一個(gè)自身完全獨(dú)立的體系，可能性質(zhì)上類似于原子結(jié)構(gòu)和太陽(yáng)系。

質(zhì)子可能由一個(gè)核和核周圍有動(dòng)態(tài)介子構(gòu)成的事實(shí)將動(dòng)搖現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)。

事實(shí)上，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)得越多，物質(zhì)的存在會(huì)更加令人震驚。

宇宙的奇跡將永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié)。過去有許多偉大的物理學(xué)家，未來也會(huì)有許多偉大的物理學(xué)家。

他們發(fā)現(xiàn)的粒子正在不斷地變化、再生和消逝。

只有潛在的法則和秩序永存。

譯自北京大學(xué)《英語(yǔ)》2019年10月