物质是无限可分的吗？

一百多年前，人们已经知道物质是由原子组成。原子的大小大约是0.1-0.2个纳米，也就是十的负十次方米。一百亿个原子紧挨着排成一行，也就一两米长。那时候，人们以为，原子是物质结构的最小单位。

但是，原子可以发光，说明原子还有内部结构，可能是由更小的亚原子粒子组成的。后来，人们从实验上认识到，原子是由一个非常小又非常重的原子核和很轻的电子构成的。电子带负电，围绕带正电的原子核运动，有点类似行星围绕太阳转动。为了解释原子里面电子的运动状态，必须用量子力学，而不能用牛顿的经典力学。因为电子的高速运动，同时也必须考虑相对论效应。量子力学可以完美地解释原子的电子结构，并对原子间相互作用，比如化学健和分子间相互作用，作出精确的预测。到今天，这已经是科学界的常识了。

原子核是什么组成的呢？一开始，人们仅仅知道原子核很小，质量占整个原子的99.9%以上，带固定单位的正电荷。后来，通过核轰击实验发现，一个原子核是可以被外来的高速飞行的另外一个原子核打裂的。仔细的研究发现，原子核是由两种更小的粒子构成，一种叫做质子，带有一个单位的正电荷（电子则带有一个单位的负电荷），质量是电子的1836倍。另外一种是中子，不带电荷，质量是电子的1839倍。质子和中子挤在一个狭小的空间里，构成原子核。带相同正电荷的质子之间有很强的库伦排斥力，所以质子之间必然有另外一种更为强大的力量把它们连结在一起。这种力，被称为核力。至此，人们已经认识到，世界上存在万有引力（由质量引起），电磁力（由电荷引起）和核力（当时不知道由什么引起）这三种基本相互作用力。万有引力和电磁力很相似，都是长程力，和距离的平方成反比。核力却是短距离的，只在相邻两个质子或者中子之间发生。而且，人们还发现，质子-质子，中子-中子，质子-中子之间的核力，是几乎完全一样的。如果不考虑质子的电荷，质子和中子就是一样的粒子。实际上，在理论描述上，质子和中子曾经就是被当作同一类粒子，可以用同位旋（和电子自旋类似）来描述。质子的同位旋是+1/2，中子的同位旋是-1/2。同位旋的概念一开始只有象征意义，但是后来人们发现，同位旋有更为深刻的含义。只有引入同位旋，才能满足粒子系统波函数的反对称性要求（广义的泡利不相容原理）。

只要知道核力或者核势能的数学表达式，我们就可以求解量子力学的薛定谔方程，把质子和中子的波函数以及它们的能级计算出来。可是，我们并不知道核力的严格表达式。怎么办呢？可以假设一个模型势能来进行计算，如果结果符合一些简单原子核的实验现象，这个假设的模型势能就有意义。这个办法虽然不是极其精确，但是非常有效。现在，人们已经可以通过量子理论计算轻易地预测所有原子核的性质了。原子核，一点儿也不神秘。

不在原子核里面的自由的中子是不稳定的，会很快（大约十分钟）衰变成质子和电子。某些原子核里的中子也不稳定，会按照一定的速率（可快可慢，和核内的环境有关）衰变。因为中子的衰变很慢，引起衰变的作用力应该和核力不一样，一定是更微弱的。因此，这种力，就被命名为弱力，和核力对应。弱力比电磁力还要弱。至此，人们知道了物质之间存在四种基本相互作用。如果中子衰变产物只有质子和电子的话，质子和电子应该呈直线向两边飞开，而且飞出的电子一定具有某个特定能量。但是，实验发现，电子具有从零到一个最大的能量分布，不是单一值。而且也不是和质子方向相反，是各个方向都有。动量和能量守恒是时空均匀的基本性质，必须得到满足。因此，人们推断，中子的衰变不是产生两个粒子，而是三个粒子。这第三个粒子，被命名为中微子。后来才知道，中子衰变释放的中微子是反电子中微子。为什么我们观测不到中微子呢？它那么神秘吗？如果我们永远看不到它，它存在吗？世界上第一个提出通过实验方法来捕获观测中微子的科学家是王淦昌。当时中国正处于战争时期，他无法做实验。后来，人们果然观测到了中微子。

其实，中微子就在我们身边。每一秒钟，都有几十万亿个来自太阳的中微子穿过我们每一个人的身体。但是，它们如此的高傲，根本无视我们的存在，目空一切，含笑而过。就连地球和太阳这样的星体，它们也是一穿而过，仿佛真空。所有的恒星，因为发生核聚变反应，都会向宇宙空间不断发射出巨量的中微子。只是由于地球距离太阳太近，别的恒星发出的中微子，我们根本无法辨别，除非极其强烈。苍天不负有心人。1987年2月24日，人类终于第一次实时探测到了来自太阳系以外的中微子，尽管数量只有区区24个。这些中微子，全部来自一个叫做SN1987A的超新星。这颗超新星，我亲眼看见过，世界上很多天文爱好者都看见过。这颗超新星距离我们16万8千光年，当我们在1987年看见它明亮的光芒的时候，它的大爆发已经结束16万8千年了。它发出的光和中微子，在宇宙茫茫太空中飞行了16万8千年，到达了我们的眼睛，也触发了人类在地球上设置的几个巨大的中微子探测器。中微子到达地球的三个小时以后，它的光才到达地球，并且持续了四五个月。这说明，这颗超新星爆发时，几乎是瞬间（十几秒钟之内），就喷发出了巨大数量的中微子，然后连续发射了四五个月的光子。以前的天体物理理论计算结果已经表明，超新星爆发时，有99%以上的能量是以中微子的形式在塌缩的初期释放出来的。短短十几秒内，超新星中微子爆发带走的能量，比我们的太阳一生发出的能量还要多。这次珍贵的观测机会，验证了理论计算的正确性。现代人类对宇宙万物的了解，超过了以往任何时代的人。这颗超新星，距离我们那么远，它爆发出来的中微子，到达地球的时候，强度竟然比我们附近的太阳发出的中微子还强。尽管数量如此众多，却只有24个被探测到。这次事件，说明中微子是按照光速来传播的，即使有点不一样，差别也很小。

几乎在量子力学诞生的同时，人们就预言了反粒子的存在。果然，人们很快就探测到了反粒子。现在，制造反粒子是家常便饭。随便用伽马射线一照，就会产生一对正负电子对。反粒子和正常粒子相比，具有相同的质量，自旋和寿命，但是有相反的电荷和其它量子数。每一种粒子都有反粒子。某些粒子（比如光子）的反粒子是它们本身。

除了质子，中子，电子，中微子和光子，以及它们各自的反粒子，世界上还有其它的粒子吗？

光子是个很有意思的粒子。人们一开始就知道光是一种波，可以叠加，可以反射，折射，有波长和频率（颜色）。光的波动性在牛顿时代就已经被人们熟知。牛顿试图建立起一套光的粒子理论，但是没有成功。直到一百多年前，人们才知道，光同时是粒子和波（波粒二象性）。由此类推，其它粒子，比如原子，质子，中子，电子，也同时是波和粒子。后来，人们又认识到，光子实际上是传递电磁相互作用的粒子。带电粒子（质子，电子）就是通过不断发射和吸收（交换）光子来产生电磁相互作用的，而不是凭空发生超距作用。这是个非常重要的认识。牛顿提出万有引力定律的时候，无法解释引力是怎样产生的，只能认为是超距的。也就是说，引力可以立刻凭空产生，不需要媒介，也不需要时间。可是牛顿自己都不太相信超距作用。

既然光子是传递电磁力的粒子，那么核力也应该有相应的传递性粒子才对。基于这种考虑，人们提出，核力是通过一种叫做介子的粒子来传递的，并且从理论上预测出介子的质量大约是电子的两三百倍，并且至少要有三种不同电荷的才行。后来，果然发现了介子的存在，而且真的有（至少）三种：带正电荷的π+,带负电的π-，不带电的π0。它们的质量是电子的270多倍。

同理，弱力也必须有相应的传递性粒子才对。1950年代，就有人从理论上假设弱相互作用是三种中间玻色子来传递的。因为弱力很弱，而且特别短程，中间玻色子的质量一定很大，应该是质子的一百倍，电子的二十万倍。果然，1982-1983年，人们成功地制造出并观测到了这三种中间玻色子，性质和理论预测的几乎完全一样。其实，在没有被观测到以前，物理学家已经对中间玻色子的存在深信不疑。得知这一实验结果时，一位物理学家说：“第二只鞋子终于落地！”

引力呢？是否存在引力子呢？这是个悬而未决的问题。第一，引力非常弱，在粒子物理研究中没有丝毫影响，完全可以忽略不计。第二，爱因斯坦的广义相对论指出，引力不过是时空的弯曲，不需要传递的媒介，或者说，不需要量子力学的描述。在没有进一步的理论和实验发现以前，我们不能够下结论。

现在，已经发现了大约140种不同的介子。难道需要这么多不同种类的介子来传递核力吗？为什么电磁相互作用只需要一种光子就足够了？在发现π介子的几乎同时，人们又发现了一些其它的粒子，它们的质量有的和π介子相当（介于π介子和质子之间），有的质量竟然超过质子。当时，把它们统统叫做奇异粒子。后来，通过研究它们的性质，才知道那些质量比质子小的，性质和π介子很相似，是不同类型的介子。质量超过质子的，干脆就叫做超子。因为它们都参与和核力类似的强相互作用，就把它们和质子，中子一起，统称为强子。但是，介子之间也存在强力，它们靠交换什么粒子来发生相互作用呢？

另外的问题是，质子，中子，介子，电子和中微子等粒子还有内部结构吗？回答这些问题的最好办法是实验。实验表明，电子在非常小的尺度上，依然没有内部结构。因此，电子很有可能就是一个点，没有尺寸，难以再拆分为更小的粒子。类似的，中微子也难以再拆分。

实验上，发现质子和中子的确具有内部结构，每一个质子或者中子，里面有三个小点。这些点正是理论上预言过的夸克。夸克分为多种，带有+2/3或者-1/3单位电荷，并且都有对应的反粒子（反夸克，电荷相反）。比如，质子是两个带有+2/3电荷和一个带有-1/3电荷的夸克构成，所以总电荷是+1。中子是两个带有-1/3电荷和一个带有+2/3电荷的夸克构成，所以总电荷为0。介子则是由一个夸克和一个（同类或者不同类）的反夸克构成的，所以电荷可以为1或者0。到目前为止，全部的夸克都已经被找到了。夸克之间的相互作用，才是真正的强力。传递强力的粒子，被命名为胶子，共有8种。胶子也已经被观测到了。至此，强子的内部结构问题，全部解决。显然，由于夸克的数量有限，它们三三两两组成的复合粒子的数量也是有限的，复合粒子的性质也是由夸克的性质和运动状态决定的。通过夸克的组合，可以预言新的复合粒子和它们的性质。有些复合粒子，就是先被夸克模型预言，再通过实验找到的。

目前，夸克，轻子（电子，中微子等），胶子，光子，中间玻色子，外加一个希格斯粒子，总共61个基本粒子（已经包括反粒子）。具体数目是，36个夸克，12个轻子，1个光子，3个中间玻色子，8个胶子，1个希格斯粒子。引力子不算。这就是现在普遍接受的基本粒子的标准模型。我们的世界，就是这些粒子构成的。

这些粒子，还可以再分为更基本的粒子吗？什么时候是尽头呢？或者，换个问法：“物质是无限可分的吗？”标准答案是：“不知道。”我们不知道，也可以生活得很好。但是，知道的话，可以生活得更明白。