<p class="ql-block"> 1752年，美國物理學家富蘭克林用風箏探測雷電試驗，發(fā)現(xiàn)天空打雷是電流現(xiàn)象；1785年，庫侖發(fā)明扭秤測出靜電力，建立了著名的庫侖定律；1799年，意大利物理學亞歷山德羅·伏打發(fā)明伏打電池，催生了化學電源；1820年，丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應；1831年，英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。電的發(fā)現(xiàn)和電能的利用推動了工業(yè)革命進程。</p> <p class="ql-block"> 1859年，德國的普呂克爾利用真空管進行放電實驗發(fā)現(xiàn)了玻璃管壁上映出的綠光；1876年另一位德國物理學家哥爾茨坦把普呂克爾的發(fā)現(xiàn)稱為“陰極射線”；1897年湯姆孫對陰極射線進行研究，認為這些射線是帶負電的物質(zhì)粒子，并測出了粒子的電荷與質(zhì)量的比值。這個比值比電解質(zhì)中氫離子的比值要大得多，也就是說這種粒子的質(zhì)量比氫離子的質(zhì)量要小得多。前者大約是后者的1/2000。1874年英國人斯托內(nèi)稱這種微粒為電子。至此，人類認識了物質(zhì)的第一個基本粒子，這在物理學史上具有劃時代的意義。</p> <p class="ql-block"> 1918年，新西蘭科學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福用α粒子轟擊氮核的實驗，從氮核中打出一種粒子，并測定了它的電荷與質(zhì)量：它的電荷量為一個單位，質(zhì)量也為一個單位，盧瑟福將之命名為質(zhì)子。后來人們用同樣的方法使氟、鈉、鋁等核發(fā)生了類似的轉(zhuǎn)變，并且都產(chǎn)生了質(zhì)子。由于各種核里都能轟擊出質(zhì)子，證實了質(zhì)子是原子核的組成部分。盧瑟福所做的實驗，用α粒子或γ射線轟擊原子核來引起核反應的方法，不僅證實了質(zhì)子的存在，也證實了原核的存在，同時也開辟了人工核反應、制造新粒子的光明前途。</p> <p class="ql-block"> 1930年，德國科學家玻特和其學生貝克用鐳的α-射線轟擊鈹原子時，發(fā)現(xiàn)射出的不是盧瑟福觀察到的穿透力不強的質(zhì)子，而是一種能穿透幾英寸鉛板的輻射--鈹輻射，這種輻射具有中性性質(zhì)。1931年居里夫婦（居里夫人的女兒女婿）開始研究這種鈹輻射，他們憑借高超的實驗技能和良好的設備，很容易地重復了玻特的實驗結(jié)果，而且能進一步觀測到輻射經(jīng)過石蠟時不但未被吸收，反而加強了。偉大發(fā)現(xiàn)就在眼前，但他們?nèi)匀谎夭Ｌ氐腻e誤思路，認定從石蠟里飛出的是質(zhì)子，認為鈹輻射是一種康普頓效應。</p> <p class="ql-block"> 1932年，盧瑟福的學生、英國物理學家查德威克重新解釋了約里奧－居里夫婦的實驗，認為鈹輻射是一種中性粒子流，這種粒子的質(zhì)量近似于質(zhì)子質(zhì)量。他用實驗證明了鈹輻射就是有質(zhì)量的中性粒子，并定名為中子。中子的發(fā)現(xiàn)不僅改變了當時人們的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念，同時還促進了核裂變研究工作的發(fā)展和原子能的利用。</p> <p class="ql-block"> 電子、質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)，原子結(jié)構(gòu)的概念逐漸清晰。原子由三種基本粒子構(gòu)成：質(zhì)子帶正電，位于原子核內(nèi)，質(zhì)子數(shù)量也是原子序數(shù)，決定元素的性質(zhì)。中子不帶電，與質(zhì)子共同構(gòu)成原子核。電子帶負電，圍繞原子核運動，質(zhì)量約為質(zhì)子的1/1836。原子核在原子中所占位置極其微?。s萬分之一），但卻占據(jù)了原子質(zhì)量的99.9*%。質(zhì)子和中子通過強相互作用力（核力），克服了粒子的靜電斥力而束縛在一起。電子在核外分層排布（K、L、M、N…），每層最多容納 2n^2 個電子（n為層數(shù)）。電子以“電子云”形式存在，用波函數(shù)描述概率分布，分為s、p、d、f等軌道形狀。電子遵循泡利不相容原理：同一原子中不存在四個量子數(shù)完全相同的電子。質(zhì)子數(shù)加中子數(shù)就是質(zhì)量數(shù) ，不同的中子數(shù)就有不同種的同位素。</p> <p class="ql-block">至此，人們普遍認為，世界由物質(zhì)組成，物質(zhì)由原子組成，不同的原子組成不同的物質(zhì)。物質(zhì)的最小單元是原子，組成原子最小的粒子是質(zhì)子、中子和電子。然而，1905年愛因斯坦因光量子假說成立而發(fā)現(xiàn)了光子；1930年因泡利假說，認為在β衰變過程中帶走了部分能量的是一種粒子，從而發(fā)現(xiàn)了中微子；1947年因日本物理學家湯川秀樹假說，C.F.鮑威爾、塞色，M·G·拉帝斯等人在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了兩種新粒子，被命名為π介子和p介子。這些粒子的發(fā)現(xiàn)使科學家認識到，原子核內(nèi)部一定還有更深奧的秘密。第二次世界大戰(zhàn)之后，物理學家開始大規(guī)模地建造“打碎原子核”的加速器，制造新的粒子。這種加速器的工作原理是，利用電磁場把質(zhì)子、中子和電子這樣的粒子加速到接近光速，成為高能粒子束來擊碎普通物質(zhì)的靶；也可以用兩種高能離子束進行對撞。粒子在碰撞中動能就會釋放出來，按照愛因斯坦的質(zhì)能關系式E=mc2，能量可以轉(zhuǎn)化為具有質(zhì)量的粒子。上世紀50年代以來，已有幾十種粒子以這種方式由能量產(chǎn)生出來。這樣的粒子壽命很短，很快就衰變成高能光子和普通的穩(wěn)定粒子混合物。物理學家試圖把這些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子進行分類：首先按質(zhì)量的大小或者說輕重來分，質(zhì)量重的粒子（質(zhì)子和中子）稱為重子；質(zhì)量輕的粒子（電子）稱為輕子；介于重子和輕子之間（π介子）則稱為介子。沒有靜止質(zhì)量的粒子（光子）自成一組。后來發(fā)現(xiàn)這樣劃分，不能體現(xiàn)粒子參與相互作用的能力，有些粒子能力相同但質(zhì)量相差甚遠，于是科學家就按照粒子的實際能力或者本身受的力給粒子分類。人們普遍認識到核力是最強的力，原子核中的質(zhì)子和中子，之所以能夠克服庫倫斥力而緊密的結(jié)合在一起，就是核力的作用。實驗發(fā)現(xiàn)，像電子一樣的輕子不受強力作用，而所有的重子和介子都受強力作用。于是就把所有的重子和介子統(tǒng)稱為強子，而把不受強力作用的電子一類粒子稱為輕子。</p> <p class="ql-block"> 1961年，美國物理學家蓋爾慢和以色列物理學家內(nèi)埃曼各自找到一種按強子的質(zhì)量和電荷進行排列的“八重法”，很像當年門捷列夫?qū)瘜W元素進行分類一樣，將強子按八個一組，并在某些組內(nèi)留下空位，來預測尚未發(fā)現(xiàn)的粒子。后來的發(fā)現(xiàn)的確證明了八重法是正確的。這至少說明強子內(nèi)部含有更深層次的粒子。1962年內(nèi)埃曼發(fā)表文章提出，也許每個強子由3種更基本的粒子組成，但這篇文章并未引起人們重視，因為八重法分類還未完全被人們所接受。只有美國加州理工學院的一個博士研究生獨具一格，對八重法的優(yōu)美和簡潔很贊賞有加，并很快投入了深入研究。他引入了一個稱之為粒子實體的名字“愛司”，他認為如果由一對愛司組成介子，由三個愛思組成重子，就可以完美解釋粒子的八重法。為了更進一步完美有效，他設想每一個愛思都必須有分數(shù)倍電子電荷。也就是說，如果一個電子帶有一個電荷，那么愛司上所帶的電荷只能為2/3或1/3。蓋爾慢在自創(chuàng)八重法之后，他的研究也深入到了這一步，只不過他對這些實體起的名字是“夸克”。由此可見，蓋爾慢和茨威格都認為這種粒子是真正實體，而內(nèi)埃曼則考慮它們是“抽象的場”。1966年，美國加利福尼亞斯坦福大學建成一座直線粒子加速器，加速器用一個長3.2公里的筆直管道向靶發(fā)射電子束，在靶上與靜止的質(zhì)子碰撞，研究者希望由碰撞產(chǎn)生的粒子碎片研究質(zhì)內(nèi)部的狀況。1968年美國物理學家費恩曼根據(jù)粒子的碰撞現(xiàn)象，提出了一個模型，他把每個強子（比如質(zhì)子）看做點狀粒子的云來描述碰撞現(xiàn)象，對于強子內(nèi)部的這些成分命名為“部分子”。這與蓋爾慢提出的夸克，茨威格提出的愛司十分相似，正所謂英雄所見略同。眾所周知，電子是被攜帶電磁力的光子云所圍繞，質(zhì)子或中子的內(nèi)部情況也應是這樣一幅圖案，夸克攜帶有強力的“膠子”云，而使夸克結(jié)合在一起。無論是蓋爾慢的夸克，還是茨威格的愛司、費恩慢的部分子，其本質(zhì)都是等同的。正如茨威格所說，它們是帶有1/3或2/3電子電荷的粒子，以分數(shù)電荷結(jié)合，比如三個夸克組成的強子：質(zhì)子由兩個上夸克（電荷為 +2/3 e）和一個下夸克（電荷為-1/3e）組成，所以質(zhì)子的總電荷為(+2/3)+(+2/3)+(?1/3)=+1e ；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，所以中子的總電荷為(+2/3)+(?1/3)+(?1/3)=0。正是夸克具有分數(shù)電荷而結(jié)合，所以夸克不能自由活動，也不宜直接觀察，被禁閉在強子之中。還有，由一對夸克組成的介子中的電荷相加而得整數(shù)，比如（+1/3）+（-1/3,）=0，（+2/3）+（+1/3）=1，所以，夸克之間的結(jié)合力自然很強。而這種兩個夸克組成的介子，像一條彈性的帶子，使重子強有力的結(jié)合在一起。當兩個夸克距離較近的時候，它們感受不到強力，好像是自由的，但在距離較遠的時候，就會感受到很強的力，無論如何也逃逸不出夸克之外。觀察發(fā)現(xiàn)：2個夸克之間的碰撞將會產(chǎn)生新的粒子，形成一股沿夸克的逃逸方向運動的噴注流，在這樣的噴注中，沒有單個夸克，噴注中的粒子仍然是由3個一組、2個一對的夸克形成。所以，夸克只能作為強子的組成部分存在于強子內(nèi)部，沒有任何辦法可以直接觀察。</p> <p class="ql-block"> 既然不能直接看到單個夸克，那么物理學家就只能通過粒子加速器，在高能粒子的相互作用及轉(zhuǎn)化中來尋找夸克存在的證據(jù)，間接地發(fā)現(xiàn)夸克。20世紀70年代，物理學家通過理論和試驗上的研究認為，除了八重法預測和已觀察到的上夸克、下夸克和奇異夸克三種夸克以外，還應有粲夸克、底夸克和頂夸克三種，他們不會在普通物質(zhì)里出現(xiàn)，只能在高能物理實驗室被束縛在某些粒子中。1974年華裔科學家丁肇中在實驗中發(fā)現(xiàn)了Ψ粒子，這種粒子是由一對正反粲夸克組成的介子，所以證明了粲夸克的存在。1977年美國物理學家萊德曼發(fā)現(xiàn)了Υ介子，這種介子是由一對正反底夸克組成，所以證明了底夸克的存在。也是這個實驗室，1994年公布了他們發(fā)現(xiàn)頂夸克的證據(jù)。頂夸克的質(zhì)量很大，相當于質(zhì)子質(zhì)量的185倍，但衰變極快，通過弱相互作用幾乎瞬間衰變?yōu)閃玻色子 + 底夸克。因此頂夸克根本來不及與反夸克結(jié)合成介子。19世紀末發(fā)現(xiàn)了電子，20世紀初發(fā)現(xiàn)了μ子，1975年發(fā)現(xiàn)了這三種輕子性質(zhì)相近。至此，科學家預測的6種夸克和6種輕子已全部找到。</p> <p class="ql-block"> 現(xiàn)代科學認為，這6種夸克和6種輕子是構(gòu)成自然界各種物質(zhì)的的“基本磚塊”，具有明顯的代性特征，它們各自分為3代：上夸克與下夸克、電子和電子型中微子是第一代，粲夸克與奇異夸克、μ子和μ子型中微子是第二代，頂夸克與底夸克、τ子和τ子型中微子是第三代。其中第一代粒子是構(gòu)成原子核的基本物質(zhì)，質(zhì)子由2個上夸克1個下夸克組成，中子由2個下夸克1個上夸克組成。二代、三代夸克在宇宙早期溫度降到 273°以下時迅速湮滅衰變，今天可忽略，只能在高能加速器上產(chǎn)生?？梢?，宏觀的物質(zhì)世界豐富多彩，構(gòu)成物質(zhì)的微觀世界同樣豐富多彩。科學家先是發(fā)現(xiàn)了118個物質(zhì)元素，并排列出具有周期性變化的元素周期表，展示了不同物質(zhì)的不同性質(zhì)及其變化的規(guī)律，也揭示了原子及原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點。然后，通對原子核的研究與探索，又發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，并對發(fā)現(xiàn)的眾多粒子，以八重法排出了粒子的“周期表”，分別建立了“夸克模型”和“標準模型”，使人們對物質(zhì)的認知深入到最小的微粒層面。科學家們在探索物質(zhì)世界的道路上，一路走來，披荊斬棘，撥云見日，取得了巨大成就！但科學永無止境，探索還在繼續(xù)。自然界的四種力，電磁力由光子傳遞，核力（強相互作用力）由膠子傳遞，放射性（弱相互作用力）由W玻色子傳遞。然而，我們熟知的引力傳遞媒介——引力子，至今還未找到，愛因斯坦設想的“統(tǒng)一場論”仍然是現(xiàn)代物理學的核心前沿。相信在不久的未來，這些科學課題一定會得到突破！</p><p class="ql-block"> 2025年10月2日</p>