時間簡史

第7部分 (第1/4頁)

亞里士多德相信宇宙中的所有物質是由四種基本元素即土、空氣、火和水組成的。有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢；浮力，這是指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。

亞里士多德認為物質是連續的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊，即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而有幾個希臘人，例如德漠克里特，則堅持物質的固有的顆粒性，而且認為每一件東西都是由不同種類的大量的原子所組成（在希臘文中原子的意義是“不可分的”）。爭論一直持續了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。直至1803年英國的化學家兼物理學家約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的。這一事實可以用來解釋所謂分子的單元是由原子組成的。然而，直到本世紀初這兩種學派的爭論才以原子論的勝利而告終。愛因斯坦提供了一個重要的物理學證據。1905年，在他關於狹義相對論的著名論文發表前的幾周，他在所發表的另一篇文章裡指出，所謂的布朗運動——懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無則規的、隨機的運動——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。

當時已經有人懷疑這些原子終究不是不可分割的。幾年前，一位劍橋大學三一學院的研究員湯姆遜演示了一種稱為電子的物質粒子存在的證據。電子所具有的質量比最輕原子小1千倍。他使用了一種和現代電視映象管相當類似的裝置：由一根紅熱的金屬細絲髮射出電子，由於它們帶負電荷，可用一電場去將其加速飛到一個塗磷光物質的螢幕上。電子一打到螢幕上就會產生一束束的閃光。人們很快即意識到，這些電子必須從原子裡出來。英國物理學家恩斯特·盧瑟福在1911年最後證明了物質的原子確實有內部結構：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核以及圍繞著它轉動的一些電子組成。他是根據從放射性原子釋放出的帶正電荷的。粒子和原子碰撞會引起的偏折這一現象，以及分析了此偏折的方式後而推出這一結論的。

最初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子所組成。質子是由希臘文中的“第一”演化而來的，因為質子被認為是組成物質的基本單位。然而，盧瑟福在劍橋的一位同事詹姆斯·查德威克在1932年發現，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但沒有帶電荷；查德威克因此而獲得諾貝爾獎，並選為劍橋龔維爾和凱爾斯學院（我即為該學院的研究員）院長。後來，他因為和其他人不和而辭去院長的職務。一群戰後回來的年輕的研究員將許多已佔據位置多年的老研究員選掉後，曾有過一場激烈的辯論。這是在我去以前發生的；在這場爭論尾聲的1965年我才加入該學院，當時另一位獲諾貝爾獎的院長奈維爾·莫特爵士也因類似的爭論而辭職。

直到20年以前，人們還總以為質子和中子是“基本”粒子。但是，將質子和另外的質子或電子在高速度下碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。加州理工學院的牟雷·蓋爾曼將這些粒子命名為夸克。由於對夸克的研究，他獲得1969年的諾貝爾獎。此名字起源於詹姆斯·約依斯神秘的引語：“Three　quarks　for　Muster　Mark！”夸克這個字應發夸脫的音，但是最後的字母是k而不是t，通常和拉克（雲雀）相押韻。

存在有幾種不同型別的夸克——至少有六種以上的“味”，這些味我們分別稱之為上、下、奇、魅、底和頂。每種味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍。（必須強調，這些術語僅僅是記號：夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有任何顏色。這只不過是現代物理學家更富有想像力地去命名新粒子和新現象而已——他們不再將自己限制於只用希臘文！）一個質子或中子是由三個夸克組成，每個一種顏色。一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克；一箇中子包含兩個下夸克和一個上夸克。我們可用其他種類的夸克（奇、魅、底和頂）構成粒子，但所有這些都具有大得多的質量，並非常快地衰變成質子和中子。

現在我們知道，不管是原子還是其中的質子和中子都不是不可分的。問題在於什麼是真正的基本粒子——構成世界萬物的最基本的構件？由於光波波長比原子的尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個原子的部分，而必須用某些波長短得多的東西。正如我們在上一章　所看到的，量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是