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标  题: 世纪发现之--物质构成之谜
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月31日12:25:03 星期四), 站内信件

〖本文摘自《百年科学发现》〗
　　　　　　　物质构成之谜
　　　　　　　　·潘治·
　　人类生存的世界，是一个物质的世界。我们的眼睛里所看到的，
几乎都可以用“物质”这两个字来概括；即或是肉眼看不见的，也
逃脱不了“物质”的范畴。无论是衣、食、住、行，甚至是人体本
身，都是物质的。然而诸如一本书和一堆钢铁，它们在本质上有什
么相同的地方吗？又好比在不同形态下的物质，如冰、水和水蒸气，
它们是一回事吗？许多人对此却无法回答。
　　从古到今，人类一直对物质的构成这一命题充满了兴趣。它不
仅是一个人类孜孜不倦亘古探索的科学命题，更已经成为了一个古
老而又年轻的哲学命题。很久以来，尽管人类对自身所生存的物质
环境是如此的熟悉，但由于物质的不同组成和不同形态却使得我们
对物质在本质上的认识是那么的陌生。大千世界里千奇百怪，无奇
不有，然而真的揭开“造物主”所使的种种“障眼法”，我们就会发
现，所有的物质在最为本质的层面上是有共性的。
　　望着茫茫大海，巍巍山峦，历史的长河里有多少人在思考：世
界万物是由什么构成的？它有最小结构吗？如果有，那是什么呢？
前人的猜测
　　早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即万物由金、木、水、
火、土五种原料组成。《周易》中有“无极生太极，无极生太极，太
极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”的哲学思想。这里，无极指
的是物质世界诞生之前的情况，而所谓的太极即世界的本源，两极
分别指代天和地，四象即春、夏、秋、冬四季，八卦则是天、地、
雷、风、水、火、山、泽，它们演绎出了世界万物。战国时代的道
学家老子在《道德经》里写到：“道生一，一生二，二生三，三生万
物。”二指的是阴和阳，阴阳统一为“冲气”，三者产生万物。而到
了汉代，又出现了天地万物由“元气”组成的哲学观。虽然这些学
说现在看起来非常幼稚，但是它们还是有其科学的地方，即所有的
物质都是由一些最基本的单位组成的，只不过古人们对这些最基本
的单位认识不能统一而已。
　　同样的，在其它一些国家的历史上也有类似的学说。比如古希
腊人就认为水、火、空气和泥土是构成物质的基本元素。但是，人
们普遍认为，古希腊哲学家德谟克利特等人建立了早期的原子论。
德谟克利特和泰勒斯等根据有关各种自然现象的思辩性的考虑，提
出了原子论的想法试图以之来阐明宇宙见形形色色的自然现象。他
们认为：宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做“原子”（现在欧
洲各国文字中的“原子”都来源于希腊文“ａｔｏｍｏｓ”，是“不
可分割”的意思）；这些原子在虚空中运动着，并可以按照各种不同
的方式互相结合或重新分散。虽然在这种意义上的原子论远远不是
人们今天所了解的严密的科学理论，但是它无疑是和现代科学的结
论比较吻合的。事实上，这种原子学说的早期论点也见诸于中国的
史书。战国时代的思想家墨翟在《墨经》的《经下》篇中就曾经提
出过：“端，体之无厚，而最前者也”。端是物的起始，把物体分割
到“无厚”，便达到最前的质点。就是说：物体可以两半两半地分下
去，如果剖到“无”，就不能再剖下去了。此外，在这本书里还有其
它一些原始的元素论思想。
　　但是无论中外古代思想家或是哲学家，他们对物质结构的认识
都只是靠思辩和猜想，真正对物质的构成进行科学的研究和解释，
只是近二三百年来的事情。
　　300多年以前，英国物理学家、化学家玻意耳（Boyle）在物质
的结构上迈出了人类较为重要的一步。他主张物质的微粒学说，提
出了接近于现代的化学元素的概念，并且对化合物和混合物进行了
区分。1808年，道尔顿（Dalton）提出了原子是元素最小单元的概
念，不同元素的原子互不相同。几十年之后，俄国科学家门捷列夫
从已发现的元素中发现了它们的性质呈现出规律性，据此制成了元
素周期表。根据这种规律性，他还预测了未发现的元素的特性。从
此，人们认识到，我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种
元素都有化学性质相同的原子。
　　在人类就要跨入本世纪的门槛时，人们对物质的结构有了更深
刻的了解。当时，低压气体的放电现象引起了许多物理学者的兴趣。
大多数人都认为，阴极射线是带电粒子流。但是后来，英国物理学
家Ｊ·汤姆孙（Joseph John Thomson）在一些新发现的物理现象的
基础上产生了一个新的想法，阴极射线可能是质量和线度小于原子
的粒子射线。为了证实这个想法和弄清楚这些粒子的物理性质，汤
姆孙作了一些关键性的实验。通过实验，汤姆孙令人信服的证明了，
这种带负电的粒子是组成一切基本原子的基本成员之一。于是，汤
姆孙在1897年4月30日正式宣布，他发现了一种新的粒子，并称
其为“微粒”。这就是被后人称为“电子”的一种小于原子的粒子。
电子的发现是原子具有内部结构的有力证据。
　　电子的发现，第一次确切的打开了原子世界的大门，第一次使
人类真实的看到比原子还小的东西。在此之前，从古希腊的德谟克
里特开始的2000多年中，原子一直被当作是物质世界的最小单元。
在世人的眼里，原子是最小不可分，最坚不可入，运动不停息的世
界物质之砖。虽然人们认识到了原子的运动、离合构成了丰富多彩、
色彩纷呈的大千世界，但是人们却一直认为，原子自身却是永远不
变的。就连发现元素周期律——这种建立在原子结构基础之上的规
律的化学家门捷列夫也是至死否认原子的复杂性。
　　于是，电子的发现，引起了世界的震惊和恐慌。一些人惊呼，
原子没有了，物质不存在了——这仿佛构成了一幅世界末日来临的
恐怖场景。而列宁却对此指出，电子的发现，不但不能否认，而且
恰恰证明了物质的客观实在性。
探索原子的结构
　　电子的发现再一次将人们对物质结构的认识引向深入。20世纪
初，向原子内部探索和“分裂原子”成为了物理领域中最振奋人心
的口号。而1909年的α粒子散射实验成为了探索原子结构的先声。
卢瑟福（Rutherford）是一位英国物理学家，曾经师从汤姆孙。中
性的原子中发现了带负电的电子，使得人们对原子中正负电的分布
提出了一些猜想，也引起了卢瑟福的兴趣。1909年，卢瑟福及其助
手们做了一个极其著名的实验。他们用α粒子作“炮弹”去轰击一
片金属铂。结果发现：大部分粒子能穿过金属铂，其轨迹是直线，
但是有少数的α粒子会发生大角度的偏转，个别α粒子还会弹回来。
卢瑟福把这个现象叫做α粒子的散射现象。于是，他提出原子里面
有一个质量大、体积小、带正电的硬东西——原子核。而这个硬东
西，决不会是电子。因为电子的质量只是α粒子质量的几千万分之
一，电子不会影响α粒子运动轨道，所以大部分α粒子通过金属铂
薄片的时候，运动轨迹不变。只有当极少数α粒子接近原子核的时
候，由于α粒子和原子核都带正电，相互排斥，就发生了角度偏转，
个别α粒子的方向正对着原子核，就被反弹回来。
　　1911年，卢瑟福在α粒子散射实验的结论基础之上提出了“行
星式原子结构模型”。从此，人类对原子的认识得到了彻底的改观，
原子的面貌变的更加清晰、明朗了。那么，既然原子并不是“最小
不可分，最坚不可入”的，它的内部结构是怎么样的呢？是否有比
电子和原子核更小的微粒呢？
　　如前所述，电子是原子里带负电的粒子，而原子是呈中性的，
那么原子核必然是由带正电的粒子组成的。卢瑟福在自己的发现上
更进一步，设想应该有更小的微粒存在。卢瑟福想到，氢原子是最
轻的原子，那么氢原子核也许就是组成一切原子核的更小微粒，它
带一个单位正电荷，质量也是一个单位。卢瑟福将其命名为“质子”。
1919年，卢瑟福用速度是2万公里／秒的α粒子做“炮弹”去轰击
氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是
＋1，质量是1。从而发现了他自己所假设的质子。“质子”这个名
称的含义就是“第一个”、“最重要”的意思。
　　1920年，卢瑟福提出了中子的假说。他认为，如果原子核完全
由质子组成，那么某种元素的原子核所带的正电荷，在数值上一定
等于那种元素的原子量，因为元素的原子量，主要是由原子核决定
的。核外电子的质量是微不足道的。但是，事实上元素的原子量总
是比它的核所带的正电荷数大一倍或一倍半以上。这说明原子核里
除了质子之外，必然还有一种质量核质子相仿，但却不带电的粒子
存在。卢瑟福把它叫做“中子”。
　　1930年，法国物理学家约里奥·居里（Joliot Curie）夫妇继
续使用卢瑟福的方法用α粒子去轰击钋、锂、硼的原子核，产生了
一种穿透力很强的辐射线。1931年，他们用这种辐射线击破原子核，
得到了一种不带电的粒子。他们把这种中性粒子就假定为中子。就
在他们将实验的结果公布之后，另一位英国物理学家查得威克
（Chardwick）立即在剑桥重复了同样的实验，并且证明了这种粒子
不是无质量的，而是具有和质子相似的质量，这正是卢瑟福预言过
的中子。
　　随着原子核、质子、中子的发现，1932年，科学家总结了前人
的研究工作，提出了原子核结构的理论：
　　原子核是由质子和中子组成的；
　　一个质子的质量是一个单位、电量是一个单位的正电荷。原子
核里质子的数目等于核所带的正电荷数，也等于元素在门捷列夫周
期表里的原子序数，由等于核外电子数；
　　一个中子的质量是一个单位，电量是零，中子数目等于原子质
量数与原子序数之差。
　　从此，在研究物质组成的道路上人类迈出了具有重要意义的一
步，建立起了研究基本粒子的组成和结构及其运动的粒子物理学。
物质世界里人们探求自身的奥秘的脚步迈得更加踏实和坚定了。
更小的微粒
　　粒子物理学的目标是探索物质的基本组元和它们之间相互作用
的规律。但是它研究的是比原子核更深层次的微观世界中物质的结
构性质和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这
些现象的原因和规律。从几千年前人们对物质的基本结构建立了最
初的认识到本世纪30年代科学家们陆续发现中子、质子，可以称作
粒子物理学发展的第一阶段。但是在此之后，粒子物理学很快就进
入了一个崭新的阶段。
需要插入的是，对基本粒子的研究使得人类不光是对物质的组
成有了更进一步的认识，更使得我们对物质之间的相互作用有了更
进一步的了解。伴随着粒子物理学的发展，人们认识到，除了已知
的引力相互作用和电磁相互作用以外，还存在两种新的相互作用，
这就是所谓的“强相互作用”和“弱相互作用”。这四种相互作用的
比较参见下表：
力的类型　　发生作用的距离　　　　力的强度　　传递此力的粒子　　　　　　粒子
的质量
引力　　　　延伸到非常大的距离　　10-38　　没有发现　　　　　　　　　不知道
弱力　　　　约小于10－17cm　　　　10-13　　中间玻色子W+、W-和Z0　　约90吉电子
伏
电磁力　　　延伸到非常大的距离　　10-2　　　光子　　　　　　　　　　　0
强力或核力　约小于10－13cm　　　　1　　　　　　胶子　　　　　　　　　　　假定
为0
　　1934年，日本科学家为了解释核子之间的强作用短程力，基于
同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换的
一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子——介子引起
的。1936年两位科学家安德森和尼德迈耶在实验的基础上确认了一
种新粒子，这就是后来人们被称为μ子的粒子。1937人类终于在宇
宙线中又发现了μ子。之后，人们又陆续发现了π介子和奇异粒子
等粒子。进入本世纪50年代以后，科学技术的进步帮助人类制造出
了高能加速器，又发现了大批新粒子。需要注意的是，这里所说的
“粒子”是指比原子核更小的下一个层次的微小颗粒。这样，到目
前为止，已发现的粒子有几百种之多，但是它们当中绝大多数在自
然界中并不存在，是在高能实验室中产生出来的。这期间科学家们
证实了包括电子在内的所有的粒子，都有它的反粒子（有些粒子的
反粒子就是它们本身）。对此，我国高能物理学家也作出了大量的贡
献。第一个带电的反超子就是我国物理学家王淦昌等在1959年发现
的。
　　对于如此众多的基本粒子，科学家们根据作用力的特点，将它
们分为强子、轻子和传播子三大类：
　　强子是所有参与强力作用的粒子的总称，它们由夸克组成。已
发现的夸克有五种：上夸克、下夸克、奇异夸克、桀夸克、底夸克
和顶夸克（顶夸克被称为“最后的夸克”，是由美国研究人员于1995
年新近被发现的）。现有的粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π
介子等都属于强子；
　　轻子只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用。
轻子共有六种，即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、
τ子中微子（尚待发现）。电子、μ子、τ子是带电的，所有的中微
子则不带电；
　　传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年
它们在某一现象种被间接发现，但至今尚未被直接发现。
　　基本粒子的大量发现，使人们开始怀疑这些基本粒子的基本性。
基本粒子的概念，面临着一个突变。夸克假说的提出使得人们对人
们对微观世界认识的尺度分别缩小到原来的十亿分之一（相对于原
子）和万分之一（相对于原子核）。可是，夸克和轻子有没有结构？
它们是不是最基本的？基本粒子是否还能再分下去？夸克和轻子为
什么会有不同的质量？质量的来源是什么？这一系列的疑问都在等
待着给出解答。
世纪末的展望
　　科学家们对四种基本力、粒子性质进行理论和实验研究，总结
其规律性和提出理论模型，使得我们可以更加深入的了解物质的构
成之谜。通过近几十年来人们对相继发现的几百种粒子性质的研究，
科学家们总结出如下规律：
　　所有粒子的运动遵循四种基本力的相互作用规律；
　　夸克、轻子和传播子（即传递力的粒子）是更为基本的粒子。
　　然而任何发现都不能彻底满足人类的求知欲，使人类前进的脚
步停下来。就在本世纪的九十年代，人类又在粒子物理学领域取得
了巨大的成就，一些阻碍人类揭开物质组成之谜的难题相继被解开。
如1998年7月6日，在东京大学宇宙射线研究所的领导下，来自日
本和美国的约120名研究人员通过实验证明，中微子具有静止质量。
这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。尤其是这一个
千年的最后一届诺贝尔物理学奖再次青睐于粒子物理学，使本世纪
30年代以来因从事与粒子物理有关的研究而或得诺贝尔奖项的科学
家达到了近四十位，让我们再次审视了粒子物理学的崇高地位。
　　在实验发现的手段之外，物理学家们还致力于从理论上对物质
的构成乃至于世界万物之间的关系给出答案。世界上存在四种基本
作用力，它们是否是完全无关的？经过长时间的探索研究，物理学
家发现弱力与电磁力之间存在着某些联系，逐步建立起来了弱－电
统一理论。这一理论与实验统一的很好，它预言的三个中间玻色子
都在实验中发现了。但是还有一个它所预言的粒子“黑格斯”至今
尚未找到。为了描述基本粒子及其相互作用，物理学家们经过摸索
又曾提出被称为标准模型的理论，但实践证明，标准模型并非能解
释一切。还有些理论物理学家很想建立起一种“大统一理论”试图
把这四种力结合起来，但是遇到了很多困难。目前又有一些人想建
立一种“超对称大统一理论”，成为目前物理学家们探索的热点之一。
这种理论的根据是：粒子按自旋属性可划分为两大类，其中夸克和
电子等自旋为半整数的粒子被称为费米子，光子和胶子等自旋为整
数的则叫做玻色子。超对称假设认为，费米子和玻色子之间存在着
对称，也就是说每个费米子都有一个玻色子相对应，反之亦然。该
理论还认为，费米子和玻色子可通过一系列的时空转换而互相转化。
超对称假设的美妙之处在于，按照该理论，玻色子和费米子实际上
可归结为一种类型，这对于建立把所有已知粒子作用统一起来的物
理学理论将起到简化作用。现在物理学家们对将于2005年在日内瓦
欧洲核子中心投入使用的大型强子对撞机寄予厚望，认为这一大功
率装置将有可能帮助发现粒子超对称性存在的直接证据。虽然这些
理论回答了自然界大部分已知组成物的“什么”和“怎样”的问题，
但是却留还是留下了一大堆“为什么”的问题。寻找更强有力的粒
子物理新理论，已经被认为是物理学下一次革命的突破口。
　　目前，粒子物理已经深入到比强子更深层次的研究了。粒子物
理的发展，大大推动了人类社会的前进，提高了科学技术水平和科
研实验能力。正是在这种动力的推动下，人类反过来利用高、新、
尖技术又不断的加深对物质结构之谜的探索。更高能量加速器的建
造，无疑将为粒子物理实验研究提供更有利的手段，有利于产生更
多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类，它们的性质，以及
它们可能的内部结构。
　　对物质结构的研究，无疑对人类认识世界、改造世界的行为有
着极大的影响。粒子物理的研究并不是孤立的，它同自然学科中的
许多学科有着千丝万缕的联系。在基础科学方面，粒子物理研究对
以最大尺度空间物质结构和运动规律为研究对象的宇宙学和天体物
理学产生了极大的影响。宏观世界和微观世界在粒子物理学中奇妙
的结合起来，粒子物理的许多知识有助于检验宇宙大爆炸模型；中
微子质量问题在宇宙星系结构中有重大影响；宇宙学同样关心有几
代轻子；宇宙学假定暗物质（一种目前尚不能感知的物质）的存在，
也要由粒子物理实验来检验；大统一理论的成功与否，也对宇宙学
产生影响。反之，宇宙学的研究成果，也对粒子物理产生影响。原
子核物理一直与粒子物理有着密切的联系。核子由夸克构成以及核
子通过胶子交换等概念直接影响了核物理。高能轻子对核的散射实
验证明，原子核不是一个简单的多个核子的集合体系。凝聚态物理
因粒子物理中的量子场理论的应用而大获成功。重整化群的方法为
正确的认识二级相变产生了革命性的影响，反过来又应用到粒子物
理领域。两个学科在交流、启发中相互促进。此外，粒子物理也影
响着原子物理、宇宙线物理等。
　　粒子物理学领域所取得的成就，向人们展示了科学发展的突飞
猛进，同时也告诉人们：事物是不断发展的，认识是无止境的，对
构成物质结构的最小单位的了解是不断深化的。粒子物理的研究，
还使我们知道除了电磁力、引力以外还存在着弱力和强力；知道了
还存在数百种粒子；知道了能量、空间、时间之间的深刻关系和微
观世界存在的这许多神秘有趣的规律，其中有些规律直接影响到宏
观世界。这些认识直接影响着整个科学界，大大丰富了人们对物质
世界的认识，并因此衍生出许多学科和推动了技术的发展。
　　面临新的千禧年，物质的结构仍然是一个谜。但是，这个谜团
已经不再是那么的庞大了。几千年来人类在这一问题研究上所发现
的答案让人类对物质世界的认识至少跨越了42个数量级，从目前观
测所及宇宙的空间范围（1026～1027米）到夸克等粒子的大小（＜10
－16米）。而下一个世纪人类肯定可以在对物质世界认识的领域中有
更大的发现，继续从宏观和微观两个方面拓展我们的知识。人类有
理由期盼，物质的构成之谜一定可以完全被解开！

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