最小的宇宙：关于物质的认识
古希腊人猜想，宇宙的物质是由一些他们叫原子的“不可分割的”原料构成的。他们想，大量的物质都应该是少量不同的基本材料组合的结果，就像在拼音文字里，数不尽的词语都是由那么少的几十个字母组合生成的。这真是先知的猜想。2000多年过去了，我们还认为它是正确的，尽管那些最基本的物质单元已经历了无数认识的转变。19世纪，科学家发现许多熟悉的物质（如氧和碳）都有一种可以识别的最小组成单元，遵照古希腊人的传统，他们称它为原子。名字确定下来了，但历史证明那是一个误会，因为那些原子当然是“可以分割的”。到20世纪30年代初，J·J·汤姆逊（J.J.Thomson）、卢瑟福（Ernest Rutherford）、玻尔（Niels Bobr）和查德威克（James Chadwick）的工作建立了我们熟悉的原子的太阳系模型。原子远不是什么最基本的物质成分，它有一个包含着质子和中子的核，核外还绕着一群旋转的电子。
有一段时间，许多物理学家都认为质子、中子和电子就是希腊人的“原子”。但是在1968年，斯坦福直线加速器中心的实验家们利用强大的技术力量探索了物质的微观层次，发现质子和中子都不是基本的。反过来，他们证明了那两个“原子”都由3个更小的粒子构成，那些粒子叫夸克——一个古怪的名字，是理论物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）从乔伊斯（James Joyce）的小说《芬尼根守夜者》里找来的，他早就猜想可能存在着那种粒子。实验家证明，夸克本身有两种，它们的名字不那么有创意，一个叫上，一个叫下。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。
我们在天地间看到的一切事物似乎都是由电子、上夸克和下夸克的组合构成的。没有实验证据说明它们还由更小的东西构成。但却有大量证据表明，宇宙还存在着其他粒子成分。20世纪50年代中期，雷恩（Frederick Reines）和柯万（Clyde Cowan）发现了第四种基本粒子的确凿实验证据，它叫中微子——它的存在，泡利（Wolfgang Pauli）早在20世纪30年代初就预言过了。后来发现，中微子很难找到，它们像幽灵一样，很少与其他物质发生相互作用，能穿透几百亿千米厚的铅，而运动几乎不受影响。这样你可能会感到轻松多了：因为在你读这句话时，太阳向太空喷发的几十亿个中微子正在穿过你的身体，然后穿过地球，继续它们在宇宙间孤独的旅行。20世纪30年代末，物理学家在研究宇宙线（从外太空向地球倾泻的粒子流）时，又发现了一种叫μ子的基本粒子——除了比电子重200倍左右，它们是一样的。μ子在宇宙间的存在，既不是什么事物要求的，也不是人们为解决什么疑问提出的，更不是谁精心设计的。所以，获得诺贝尔奖的粒子物理学家拉比（Isidor Isaac Rabi）对μ子的发现没多大热情，“谁让它来的？”不管怎么说，它来了，而且还跟着来了好多新粒子。
物理学家们凭着前所未有的技术力量，不断地用越来越大的能量将物质击碎，时刻重现大爆炸以来的那些谁也不曾见过的创生条件。他们从碎片里寻找新的元素，粒子清单越来越长。看看他们发现的东西：另外四种夸克——粲、奇、底和顶——还有一个更重的电子兄弟，τ；另外两个性质与中微子相同的粒子（叫-中微子和τ-中微子，以区别于原来的那个电子中微子）。这些粒子在高能碰撞中产生，不过是昙花一现；在我们通常遇到的任何事物里都没有它们的影子。但是，故事还远没结束。每一个这样的粒子都有一个反粒子——质量相同，而在其他某些方面相反（例如电荷；还有与其他力相应的荷，我们在下面讨论）。举例说，电子的反粒子叫正电子——它的质量跟电子相同，但电荷为+1（而电子的电荷为-1）。物质和反物质接触时，会相互湮灭，生成纯粹的能量——难怪在我们周围的世界里自然出现的反物质会那么少。
物理学家在这些粒子间分辨出一种模式，如表1.1。物质粒子正好分成三组，通常被称为族。每一组包括2个夸克和1个电子，或者电子的伙伴，以及1个相应的中微子。三族中同一行相应的粒子除了质量依次增大而不同外，性质是完全一样的。结果，物理学家现在追溯到了百亿亿分之一米尺度的物质结构，而且证明了我们到目前为止所遇到的每一样事物——不论是自然出现的，还是通过加速器人工产生的——都是由这三族粒子和它们的反物质伙伴组合成的粒子构成的。
表1.1 3族基本粒子及其质量（以质子质量未单位）。中微子质量至今还没有在实验上确定。
从表1.1看，我们对μ子的发现无疑会比拉比更感迷惑。族的划分至少从表面上显出某种秩序，然而数不清的“为什么”也接踵而来。为什么有那么多基本粒子——特别是，我们周围世界的大多数事物似乎只需要电子、上夸克和下夸克就够了？为什么有三族？为什么不是一组、四族或者更多？为什么粒子质量看起来是随机分布的——例如，为什么τ子比电子重约3520倍？为什么顶夸克比上夸克重40200倍？这些数都很奇怪，似乎是随机数。它们是偶然出现的，还是什么神灵选择的？我们宇宙的这些基本特征能有一个综合的科学解释吗？
力——光子在哪儿
当我们考虑自然力的时候，问题就变得复杂多了。我们的世界充满了施加影响的方式：球拍将球打出，蹦极爱好者从高高的平台跳下，磁体让列车悬浮在金属轨道上飞奔，盖革计数器响应放射性物质时发出“滴答”的声音，原子弹爆炸……我们可以用力推、拉或者摇动物体；可以把一个物体打进另一个物体；可以拉伸、扭转或者粉碎一个物体；还可以令一个物体冷却、加热或者燃烧。在过去的百年里，物理学家积累了大量证据，说明这些不同事物间的相互作用，以及我们寻常遇到的万千事物间的相互作用，都可以归结为四种基本力的组合。其中之一是引力，另外三种力是电磁力、弱力和强力。
引力是大家最熟悉不过的，它不但让我们能牢固地脚踏大地，而且还维持着我们不停地绕着太阳转。物体质量有多大，决定着它能产生多强的引力，对引力会有多大的反应。电磁力在四种力中也是大家熟悉的，它是现代生活中一切方便的动力——例如光、计算机、电视、电话——它在电闪雷鸣时露出狰狞，也在轻轻触摸的手上留下温柔。从微观的角度说，粒子电荷在电磁力中扮演着物质质量在引力中的角色：决定粒子能产生多强的电磁力，对电磁力有多大的反应。
强力与弱力比较陌生，因为它们在超过亚原子尺度以外就完全失去作用了，它们是作用在原子核中的力。难怪这两种力的发现要晚得多。强力将夸克“胶结”在质子和中子内部，又把质子和中子紧紧捆在一起塞进原子核。弱力最为人所熟悉的作用是物质（如铀和钴）的放射性衰变。
在过去的世纪里，物理学家发现所有这些力有两点共同特征。第一点，我们将在第5章讨论，在微观层次上，所有的力都关联着一个粒子，我们可以把那粒子想象为最小的力元。当我们从“电磁射线枪”射出一束激光时，我们实际是在打开光子的激流，也就是最小的一束电磁力。同样，弱力和强力场的最小单元是一些叫弱规范玻色子和胶子的粒子。（胶子这个名字特别形象，我们可以想象它是把原子核凝结起来的那种强力胶合剂的微观成分。）到1984年时，实验家们已经确定了这三种力的粒子的存在和具体性质，如表1.2。物理学家相信，引力也关联着一种粒子——引力子——不过它的存在还需要实验来证明。
表1.2 四种自然力及其相关粒子和质量（以质子质量为单位）。（弱力的粒子有两种可能的质量。理论研究证明引力子是没有质量的。）
第二个共同点是，力由某种“荷”来决定。如质量决定引力如何对粒子产生作用，电荷决定电磁力如何发生影响，粒子还被赋予一定的“强荷”和“弱荷”，它们决定着粒子如何感应强力和弱力的作用（这些性质详细地列在本章注释的表中1）。1但是，跟质量的情形一样，我们只知道实验物理学家们仔细测量过那些性质，而没有谁能解释为什么我们的宇宙由具有那些特殊质量和力荷的特殊粒子构成。
尽管基本力有这些共同的特征，但是考察它们却只不过使问题更复杂了。例如，为什么有四种基本力？为什么不是五种、三种甚至一种？为什么这些力会有那么多不同的性质？为什么强力和弱力只能在微观尺度上发生作用，而引力和电磁力却具有无限的作用范围？还有，为什么这些力的固有强度会有那么大的悬殊？
为说明最后这个问题，我们想象左手拿一个电子，右手拿一个电子，然后让这两个完全相同的带电粒子靠近。粒子间的相互引力有助于它们靠拢，但电磁斥力却会把它们分开。哪种力更强呢？根本没法儿比：电磁斥力比引力强百亿亿亿亿亿（1042）倍！如果说右臂代表引力的大小，那么，为了让左臂能代表电磁力的大小，它必须伸展到我们已知的宇宙边缘的外面。在我们身边，电磁力并没有完全压倒引力，那是因为大多数事物都由等量的正负电荷构成，它们的电磁力相互抵消了。而另一方面，引力总是相互吸引的，不会消减——东西越多，引力就越大。不过根本说来，引力是极端微弱的。（所以，从实验来证实引力子的存在是很困难的。寻找最微弱的力的最小作用单元，是多大的挑战啊！）实验还证明，强力比电磁力强100倍，而比弱力强10万倍。但是，宇宙凭什么有这样的性质——“存在理由”在哪儿？
一件事情为什么恰好是这样而不是那样，是钻牛角尖儿的问题，但我们现在的问题可不是那样的。即使物质和作用粒子的性质稍有改变，宇宙就会大为不同。例如，强力与电磁力的强度比例微妙地决定着构成化学元素周期表上百余种元素的稳定原子核的存在。挤在原子核里的质子因电磁作用而相互排斥，多亏了作用在质子里夸克间的强力才克服了排斥而把它们紧紧系在一起。但是，假如两种力量的相对强度发生极小改变，就很可能破坏它们之间的平衡，使大多数原子核发生分裂。而且，假如电子质量再大几倍，它就会与质子结合成中子，吞噬氢原子核（宇宙间最简单的元素，核里只有一个质子），从而破坏更复杂元素的产生。恒星的存在依赖于稳定核之间的聚变，如果基本的物理学发生了那些改变，它们也不复存在了。引力的大小也影响恒星的形成。挤压在恒星中心的物质密度是它核熔炉的能源，也是星光的源泉。假如引力的强度增大了，恒星会裹得更紧，从而大大提高核反应的速率。但是，正如烈焰比烛光能更快烧尽燃料，核反应速率的提高会使恒星（如太阳）更快消亡，给我们所知的生命的形成带来致命的灾难。反过来，假如引力强度大大减弱，物质根本就不能聚集在一起，当然更不可能形成恒星和星系了。
我们还可以继续说下去，不过意思已经清楚了：宇宙之所以如此，是因为物质和作用粒子具有那样的性质。但是，它们为什么有那些性质呢？有科学的解释吗？
人学网·宇宙探索栏目责编：自然子
