叫三聲夸克

叫三聲夸克

卞毓麟創作的科學小品文。被選入中學課本。(蘇教版語文八年級下第14課)

原文

有一種禮品盒,看上去只是一個盒子,不知道裡面是空的,還是裝了什麼東西。打開來看看,裡面又是一個盒子。好奇心驅使,打開這個盒子,裡面仍然是一個盒子……,盒子裡裝盒子,不知道最裡面的盒子裡面到底是什麼。

物理學家在研究物質結構的時候,也遇到了一個類似的問題:最裡面的是什麼?

世界上的物質千千萬,石頭、鐵、空氣、水……形態不同,性質各異,但有一點是相同的,最小單位都是原子。鐵的最小單位是鐵原子,氫的最小單位是氫分子;水的最小單位是水分子,不過,水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成的。

世界上的物質千千萬,分到最小的單位,分到原子這一步就算到頭了。自古以來都認為原子是不可再分的了。

到了19世紀末,X射線的發現促使人們思考,是不是盒子裡還有一個盒子?果然,進入20世紀以後,人們發現原子不是最小單位,在原子內部,外圍是電子,中心是原子核。原子的質量幾乎全部集中在原子核。原子核本身卻十分微小,大約10萬個原子核排成一條直線才相當於一個原子的直徑。

好奇心驅使科學家進一步研究原子核的結構,發現原子核是由質子和中子組成的。人們產生了一個新的看法:原子是由電子、質子和中子等基本粒子構成的。把這些粒子叫做“基本粒子”,好像是說原子這個盒子裡,也就是這種些東西了。

可是,後來科學家在宇宙線中發現了一些新的粒子,在實驗室里,在加速器中發現了更多的粒子,基本粒子的數量猛增到300多種,據新報導說,已經達到了700多種。

物理學家分別為這些微小的粒子取了一個名字:光子、介子、中微子、用字母命名的K子以及什麼什麼子……還測定了它們的質量是多少,帶有什麼樣的電荷,如何自旋(左旋還是右旋),壽命多長,就像調查戶口似的,記入了檔案,再加以分析。

經過分析,發現大多數基本粒子是不穩定的,壽命很短,很容易轉化為其他基本粒子。這些基本粒子的質量大小差別很大,可以根據質量大小來分類。還有另一種分類方法,它把基本粒子分為兩類,一類是輕子,另一類是強子。

電子和中微子屬於輕子,輕子的數量比較少;絕大多數的基本粒子都屬於強子,其中包括質子和中子。面對數量如此之多的強子,科學家們又在思考了。

這又是一個“盒子裡還有盒子嗎”一類的問題,科學家從實驗裡已經感覺到,強子內部有結構。這好比拿起盒子搖一搖,聽到響動,可以初步判定盒子裡有東西。

這時候,科學家充分發揮了想像力。美國科學家蓋耳曼提出了一個“夸克模型”,說是所有的強子都是由3種夸克構成的。

夸克是譯音,意思是海鳥的叫聲。因為在長詩《芬尼根之覺醒》中有一句話:“向麥克老人三呼夸克。”蓋耳曼把夸克借用過來,無非是一語雙關,說明每一個強子都有3種夸克。

想像固然浪漫,蓋耳曼的理論被大多數人接受了。這等於承認了盒子裡有東西。

知道了有夸克這種物質,那就得把它找出來。要把想像中的夸克變成真實的夸克並不容易,找了20年,也沒有發現夸克的蹤跡。人們有點泄氣了。沒想到1976年,旅美華人科學家丁肇中發現了J粒子。J粒子的J與中文的丁字非常相似,這也給這種新粒子命名的妙處。新粒子的發現,引起種種猜測,J粒子是不是第四種夸克?這一發現,又喚起了尋找夸克的熱情。

1976年以後,對夸克又有了新的認識,說夸克不止3種,還有第四、第五、第六種,理論更深入更複雜。

這時又有一種說法:為什麼夸克不能脫離其他粒子而獨立存在呢?這真是怪事,仿佛士兵犯了錯誤被禁閉而失去了自由,難道就沒有一個自由夸克嗎?

還有人說,物質的最小結構也許就到此為止了。盒子裡裝盒子,發現的盒子已不少了,按順序是原子——原子核——強子——夸克。

在研究夸克的時候,發現夸克與3這個數字特別有緣,3呼夸克,3種夸克;夸克的種類多了以後,夸克又可以分成3組,人們把這種組叫做“代”,也就是夸克有3代。

可是,夸克的第三代里還缺一個夸克,科學家假設它叫頂夸克。1994年4月6日,在費米實驗室,終於發現了頂夸克的存在。

在費米實驗室,有一個加速器,地下的環形隧道長達6.4千米。在長達8年的時間裡,先後有900名科學家在這裡工作,終於找到了頂夸克。這一發現,證實了夸克是存在的,證實了頂夸克是第三代。

新的發現,帶來了新的希望,也帶來了新的問題:

“3”字有什麼意義?

為什麼只證實了頂夸克的存在?

而最基本的問題仍然是:物質的最小結構就是夸克嗎?

盒子裡還有盒子嗎?

作者

卞毓麟,1943年7月生,1965年南京大學天文系畢業。現為中國科學院北京天文台教授,中國天文學會常務理事,天文學名詞審定委員會主任,中國科普作家協會會員,上海科技教育出版社著作權部主任。1999年4月起任上海交通大學科學史和科學哲學系兼職教授,現為上海天文學會副理事長、中國科普作協翻譯工作委員會副主任。
57歲,完全可以過悠閒的日子,但是他沒有,卻“改行”以滿腔熱情投身到出版界,為開闢另一片天地努力拚搏,這就是我國天文學家、著名科普作家卞毓麟教授,他從中科院走到出版社,由作者變成編輯。
卞毓麟從事科普創作20多年,參與編著、翻譯的科普圖書有70餘種,發表的科普文章約400篇,累計字數近400餘萬。他的讀者從剛識字的娃娃到非本行的科學家都有,讀過《語文》課本中那篇饒有趣味的短文《月亮——地球的妻子?姐妹?還是女兒?》的中學生們,都能說出“卞毓麟”。他的科普佳作不僅熔科學性趣味性於一爐,且極富人文色彩,如《恐龍·隕石及社會文明》、《“水調歌頭·明月幾時有”科學注》、《莎士比亞外篇》等,無不描繪著科學與文化一個個閃光的交點。他曾多次獲得表彰,中國科普作家協會表彰他為“建國以來,特別是科普作協成立以來成績突出的科普作家”;在1996年的全國科普工作會議上,他又被授予“全國先進科普工作者”的稱號。
卞先生歷來認為“科學家作為科學傳播鏈中的發球員,奉獻於科普實屬責無旁貸”。他堅持不懈地通過各種途徑努力向公眾宣傳科學知識、科學思想、科學方法和科學精神,社會效果顯著。他認為現代人時間緊迫,社會公眾需要了解新的科學進展,但又沒有時間來啃一本本大部頭的書,除了撰文著書外,還常在各種場合作科普演講。早年他曾在海拔5000米的喀喇崑崙山上向邊防戰士講解天文知識;1997年赴漠河觀測日全食途經哈爾濱時,曾給當地近2000名中學生作關於日食的科普報告;同年中秋節,他又給1700名中學生講了火星探索的最新進展。他曾是北京市教育局和北京市科委聘請的首都青少年校外科技導師,以及北京市三所中學的科技輔導員。
有名望、有成就的他為什麼“改行”呢?他說,科學宣傳與科學普及做得好不好,對社會進步影響很大;中國的科學普及宣傳實在還太少,這真是科學資源的浪費。後投身到出版社,可以更有效地把更多優秀作品推向社會,傳送到讀者手中。曾經有朋友勸過他,“改行”當編輯不值得,但他不認為這樣。他說,有很復選題策劃,都來自於編輯,一名優秀的編輯應該成為使人們的精神生活變得更美的“時裝設計師”。他還說,作為一名科普作家,每年寫上一兩本、甚至三本書,能寫好,已很不容易了。而由他組織、從他手裡編輯加工出去的好書,一年可能是5本、10本甚至更多。對整個社會而言,很難說這樣做的貢獻不如以前,實際上,很可能是貢獻更大了。
卞教授來到上海科教社後創建了該社的著作權部。在短短的2年多時間裡,他與著作權部的同事們齊心協力,推出了在社會上引起很大反響的“哲人石叢書”,已成為圖書市場上的熱門品種。卞毓麟為策劃“名家演講錄”叢書分秒必爭、殫精竭慮,如今這套別具一格的科普精品已經出了20種。
卞毓麟的作品有著譯圖書《星星離我們多遠》等20種,發表科研論文60餘篇,科普和科學文化作品300餘篇,其中代表作有:《走近火星》、《宇宙風采》等。作品曾多次獲獎。1990年以來,先後被中國科普作協表彰為“建國以來,特別是科普作協成立以來成績突出的科普作家”,北京天文學會評選為“先進天文普及工作者”,中國天文學會表彰為“優秀天文科普工作者”,國家科委和中國科協表彰為“全國先進科普工作者”。科學時代需要更多像他那樣對科普事業一往情深、不斷奉獻的科技和出版工作者。

關於夸克

20世紀60年代,美國物理學家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元——夸克(quark)組成的,很多中國物理學家稱其為“層子”,在台灣亦曾翻譯“虧子”,但並不普遍使用。“夸克”一詞是由默里·蓋爾曼改編自詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根之覺醒》(Finnegans Wake)中的詩句:“向麥克老人三呼夸克。”(Three quarks for Muster Mark!)。

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