有400个物种的动物园看起来太乱了。有的人不得不在混乱中寻找规律,就像费曼使我们对电子和光子的理解变得有条理一样。或许具有讽刺意味的是,完成这项艰难任务的正是费曼的对手:默里·盖尔曼。
盖尔曼与费曼的办公室隔着一道走廊,两人的关系经常剑拔弩张的。当他们都获得诺贝尔奖之后,关系变得更糟。
费曼喜欢参加聚会,流连在女人之间(他结过三次婚),在读书上没花太多心思。盖尔曼是一位杰出的学者,15岁入学耶鲁,能讲多种语言,把很多时间花在阅读语言学和考古学的论文上。盖尔曼生活恬淡,费曼喜欢酒吧和俱乐部(不过值得注意的是,费曼从不喝酒,他鼓励人保持清醒)。
尽管两人有分歧,生活方式也迥异,但他们都认为质子和中子不是基本粒子。人们已经知道了几十种更轻的粒子,这意味着存在更小的亚结构,人们正在竞相提出一种新的量子场论来描述它们。
费曼把这些假设的亚质子/亚中子称为“部分子”,就如何观察它们做了大量的研究。然而,详细描述它们的理论是由盖尔曼提出的,盖尔曼还给它们取名为夸克(kwork),仅仅因为他喜欢这个词的发音(如果你以前读过这个话题,对“kwork”这个拼写有所怀疑,请稍候)。
通过分析已发现的大量粒子的质量、电荷、自旋和寿命,盖尔曼说所有粒子都可以理解成夸克的组合。有两种夸克,分别叫“上夸克”和“下夸克”。
上夸克带+2/3电荷,下夸克带-1/3电荷。两个上夸克加一个下夸克,即+2/3+2/3-1/3得到+1,也就是一个质子。两个下夸克加一个上夸克,即-1/3-1/3+2/3得到0,也就是一个中子。
三个上夸克得到Δ粒子,一个上夸克和一个反下夸克得到π介子……诸如此类。粒子动物园是一种错觉,质子和中子都是复合粒子,而不是基本粒子。夸克才是重要的,因为夸克组成了物质。
哦,顺便说一句,这就是反中子的由来。普通中子不带电,这是因为组成它的夸克总电荷为0。你可以用两个反下夸克加一个反上夸克的组合,总电荷也是0。但反物质0不等于物质0。生活是不是挺丰富多彩的?
海鸥的鸣叫
一天晚上,在读爱尔兰现代主义小说家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》(FinnegansWake)时,盖尔曼读到了一首诗,开头是这样写的:“向麦克老人三呼夸克(quark)。”
盖尔曼立即被这个毫无意义的“夸克”吸引住了,因为它描述的正是一组三个物体发生的事情,就像他提出的粒子一样。这个词的拼写稍稍往他听过的声音靠拢,他就接受了这个发音。乔伊斯可能想用“quark”与“Mark”押韵,但盖尔曼决定用“kwork”与“quartz”押韵。[6]
在诗中,“quark”一词代表海鸥的鸣叫。也许在盖尔曼居住的加利福尼亚州,海鸥发出的声音是“kwork”,而不是“kwark”。
英国人经常把这个词读成“kwark”,但这不是盖尔曼的本意。你一定要读成“kwork”,否则就得面对加州海鸥的怒火。
另外,用鸟鸣声给粒子取名并不是最奇怪的事情。物理学家阿兰·古斯给一种假象的粒子取名为“暴胀子”,因为它让宇宙加速膨胀。弗兰克·维尔切克给一种粒子取名为“axion”,这是一种洗涤剂的品牌。[7]
色彩丰富的语言
盖尔曼提出了夸克的存在,几年后,人们通过实验发现了夸克。在实验中,科学家向中子发射轻子(电子、μ子和τ子),并观察它们的路径。如果中子是“中子场”中不可再分的物质,轻子就会呈锐角反弹回来。但如果像盖尔曼预测的那样,中子由夸克亚结构组成,轻子就只会偏转,被夸克粒子的电荷吸引而偏离航线。[8]
实验结果符合盖尔曼的预测,为我们提供了一种新型粒子,也为正在研究的原子核提供了一种量子场论。