前幾期，我們撬開(kāi)了原子，發(fā)現原子內還有電子和原子核。接著(zhù)，我們進(jìn)一步進(jìn)入了原子核，發(fā)現原子核內還有質(zhì)子和中子。這一期，我們再繼續向下深入，看看質(zhì)子和中子的內部到底是什么？

淘“粒子”時(shí)代

自從湯姆遜發(fā)現了電子，盧瑟福發(fā)現了質(zhì)子，查德威克發(fā)現了中子之后，科學(xué)家又相繼發(fā)現上百種“基本粒子”，他們甚至把這戲稱(chēng)為“粒子動(dòng)物園”。所以，在那個(gè)年代，許許多多的科學(xué)家因為淘到“新粒子”而獲得諾貝爾獎，真的有點(diǎn)當年化學(xué)家和物理學(xué)家一起搶“新元素”的感覺(jué)。

隨著(zhù)新粒子被發(fā)現得越來(lái)越多，科學(xué)家也開(kāi)始思考：是不是存在更基本的粒子？

1949年，費米和楊振寧就在一篇文章中寫(xiě)到，

隨著(zhù)越來(lái)越多的新粒子被發(fā)現，這些粒子都是基本粒子的可能性就會(huì )越來(lái)越小。

夸克模型

為了解決“新粒子”帶來(lái)危機，1964年，蓋爾曼和茨威格分別獨立提出了夸克模型。

蓋爾曼和茨威格假設所有的強子（質(zhì)子和中子就屬于強子）都是由夸克和反夸克組成的。

在他們的理論中，夸克有三種“味道”，分別是上、下和奇異夸克。這里的“味道”并不是說(shuō)夸克真的有味道，只是為了區別他們的代號而已。

加速器的發(fā)現

不過(guò)，當時(shí)的科學(xué)家對于他們的理論也不知道做啥評價(jià)好，因為這完全就是數學(xué)推導出來(lái)的一個(gè)結果而已，是不是真的具有物理含義就另說(shuō)了。

不過(guò)，到底有沒(méi)有，還是要拉出來(lái)遛一遛才知道。理論預言的粒子，如果真的能找到，那就說(shuō)明理論是成功的。

這時(shí)候我們可以再回憶一下，我們的老朋友盧瑟福。

他就曾經(jīng)用α粒子當成子彈，想方設法要撞開(kāi)原子核。

這種“野蠻沖撞”成為了研究粒子物理學(xué)的一種極其重要的手段。

1951年，斯坦福大學(xué)就開(kāi)始籌劃建造有一個(gè)長(cháng)達3公里的直線(xiàn)加速器。

其實(shí)原理是和盧瑟福撞原子核是一個(gè)道理，不過(guò)獲得更好的結果，就需要給粒子加速，以此讓粒子獲得很高的能量再去撞，這樣撞上去的效果會(huì )更好。

既然是想知道質(zhì)子內部到底有什么，科學(xué)家用到的辦法就是用高能的電子束去轟擊液態(tài)氫靶。說(shuō)白了就是轟擊質(zhì)子，看看能不能像撞原子核那樣撞開(kāi)質(zhì)子。

到了1968年，科學(xué)家觀(guān)測到了氫原子核（相當于一個(gè)質(zhì)子）內的三個(gè)電子廣角散射中心。

說(shuō)白了，就是他們發(fā)現質(zhì)子中存在三個(gè)比質(zhì)子小的點(diǎn)狀物。

所以，實(shí)驗人員就提出：

質(zhì)子可能由3個(gè)基本粒子所構成。

這也間接證明了“夸克”存在的可能性。

夸克真的存在么？

可是我們總說(shuō)“活要見(jiàn)人，死要見(jiàn)尸”。雖然實(shí)驗可以觀(guān)測到存在三個(gè)點(diǎn)狀物，但無(wú)論科學(xué)家用什么辦法都無(wú)法直接發(fā)現自由存在的夸克。也就是說(shuō)，科學(xué)家就一直沒(méi)見(jiàn)到夸克的本尊。這就讓人很尷尬了，這夸克到底存不存在？

于是，有人就提出了“夸克禁閉”的理論。那什么是夸克禁閉呢？

我們可以通過(guò)引力來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題。我們都知道引力是隨著(zhù)距離的增大而減小的，也就是說(shuō)和距離的平方成反比，離得遠，引力就越小。

而把夸克們綁在一起的是強相互作用力，它和引力恰恰相反，夸克之間的距離越大，強相互作用力就越大，距離越短，強相互作用力越小。而且由于強力是四大作用力中最強的作用。因此，這就限制了夸克之間的距離不能太遠，就把夸克限制在了一個(gè)區域內。

而這個(gè)后來(lái)通過(guò)楊米爾斯理論也確實(shí)推導出了這個(gè)結果，和這相關(guān)的五位科學(xué)家都獲得了諾貝爾物理學(xué)家。而這里的楊米爾斯理論，就是由楊振寧和米爾斯提出來(lái)的。

六味夸克“丸”

有了強力相關(guān)的理論，這就好比辦了，科學(xué)家們開(kāi)始潛心去找尋夸克，希望能把夸克都找全了。最終，他們找到了六種夸克，分別是：上、下、粲、奇異、底和頂，這也被叫六味。其中，華裔科學(xué)家丁肇中領(lǐng)導的小組，以及里克特領(lǐng)導小組分別獨立測到了由粲夸克和反粲夸克組成的介子（也是一種強子）。這個(gè)介子后來(lái)被稱(chēng)為J/ψ 介子。

而科學(xué)家通過(guò)對J/ψ 介子的研究，更加確信夸克理論是正確的。所以，J/ψ 介子的發(fā)現也成了夸克模型里程碑一樣的事件。丁肇中也因此獲得了諾貝物理學(xué)獎。

夸克是如何構成質(zhì)子的？

如果我們要描述一個(gè)夸克，一般會(huì )描述三個(gè)物理量：質(zhì)量，電荷，自旋。這就好比，我們要描述一個(gè)人，可能是身高，體重和長(cháng)相，是一個(gè)道理。

不過(guò)，關(guān)于質(zhì)量和自旋，我們以后會(huì )用專(zhuān)門(mén)的一篇文章來(lái)詳細講述，這期我們先講電荷?？淇肆钊朔艘乃嫉木驮谶@里。

上、粲和頂夸克的電荷是 2/3；而下、奇異和底夸克的電荷是-1/3。

比如：質(zhì)子就是由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成的，那么質(zhì)子的電荷就是2/3 2/3-1/3=1，也就是說(shuō)質(zhì)子帶了一個(gè)單位正電荷。

而中子是1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克組成的。所以，中子的電荷就是2/3-1/3-1/3=0。也就是說(shuō)中子是電中性的。

夸克模型也解釋了為什么中子要比質(zhì)子的質(zhì)量大一點(diǎn)，這是因為六種夸克的質(zhì)量是不同的，上夸克質(zhì)量是最小，而質(zhì)子有2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克，中子有1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克。所以構成質(zhì)子的夸克總質(zhì)量是小于構成中子的夸克總質(zhì)量的，因此中子才比質(zhì)子的質(zhì)量要大一些。

正因為夸克模型可以很好地解釋各種現象。因此，也被廣泛接受，并納入了粒子物理標準模型當中。在這個(gè)模型中，構成質(zhì)子和中子就是夸克，這也回答了開(kāi)頭我們提出的問(wèn)題，質(zhì)子其實(shí)是可再分的，繼續分下去就是夸克。

關(guān)于夸克其實(shí)還有很多內容，但由于篇幅的我們以后再詳細說(shuō)。在這里，大家不妨思考一下物質(zhì)的質(zhì)量到底是咋來(lái)的呢？