更新时间:2023-09-01 21:08
有一种礼品盒,看上去只是一个盒子,不知道里面是空的,还是装了什么东西。打开来看看,里面又是一个盒子。好奇心驱使,打开这个盒子,里面仍然是一个盒子……,盒子里装盒子,不知道最里面的盒子里面到底是什么。
物理学家在研究物质结构的时候,也遇到了一个类似的问题:最里面的是什么?
世界上的物质千千万,石头、铁、空气、水……形态不同,性质各异,但有一点是相同的,最小单位都是原子。铁的最小单位是铁原子,氢的最小单位是氢分子;水的最小单位是水分子,不过,水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的。
世界上的物质千千万,分到最小的单位,分到原子这一步就算到头了。自古以来都认为原子是不可再分的了。
到了19世纪末,X射线的发现促使人们思考,是不是盒子里还有一个盒子?果然,进入20世纪以后,人们发现原子不是最小单位,在原子内部,外围是电子,中心是原子核。原子的质量几乎全部集中在原子核。原子核本身却十分微小,大约10万个原子核排成一条直线才相当于一个原子的直径。
好奇心驱使科学家进一步研究原子核的结构,发现原子核是由质子和中子组成的。人们产生了一个新的看法:原子是由电子、质子和中子等基本粒子构成的。把这些粒子叫做“基本粒子”,好像是说原子这个盒子里,也就是这种些东西了。
可是,后来科学家在宇宙线中发现了一些新的粒子,在实验室里,在加速器中发现了更多的粒子,基本粒子的数量猛增到300多种,据新报道说,已经达到了700多种。
物理学家分别为这些微小的粒子取了一个名字:光子、介子、中微子、用字母命名的K子以及什么什么子……还测定了它们的质量是多少,带有什么样的电荷,如何自旋(左旋还是右旋),寿命多长,就像调查户口似的,记入了档案,再加以分析。
经过分析,发现大多数基本粒子是不稳定的,寿命很短,很容易转化为其他基本粒子。这些基本粒子的质量大小差别很大,可以根据质量大小来分类。还有另一种分类方法,它把基本粒子分为两类,一类是轻子,另一类是强子。
电子和中微子属于轻子,轻子的数量比较少;绝大多数的基本粒子都属于强子,其中包括质子和中子。面对数量如此之多的强子,科学家们又在思考了。
这又是一个“盒子里还有盒子吗”一类的问题,科学家从实验里已经感觉到,强子内部有结构。这好比拿起盒子摇一摇,听到响动,可以初步判定盒子里有东西。
这时候,科学家充分发挥了想像力。美国科学家盖耳曼提出了一个“夸克模型”,说是所有的强子都是由3种夸克构成的。
夸克是译音,意思是海鸟的叫声。因为在长诗《芬尼根之觉醒》中有一句话:“向麦克老人三呼夸克。”盖耳曼把夸克借用过来,无非是一语双关,说明每一个强子都有3种夸克。
想像固然浪漫,盖耳曼的理论被大多数人接受了。这等于承认了盒子里有东西。
知道了有夸克这种物质,那就得把它找出来。要把想像中的夸克变成真实的夸克并不容易,找了20年,也没有发现夸克的踪迹。人们有点泄气了。没想到1976年,旅美华人科学家丁肇中发现了J粒子。J粒子的J与中文的丁字非常相似,这也给这种新粒子命名的妙处。新粒子的发现,引起种种猜测,J粒子是不是第四种夸克?这一发现,又唤起了寻找夸克的热情。
1976年以后,对夸克又有了新的认识,说夸克不止3种,还有第四、第五、第六种,理论更深入更复杂。
这时又有一种说法:为什么夸克不能脱离其他粒子而独立存在呢?这真是怪事,仿佛士兵犯了错误被禁闭而失去了自由,难道就没有一个自由夸克吗?
还有人说,物质的最小结构也许就到此为止了。盒子里装盒子,发现的盒子已不少了,按顺序是原子——原子核——强子——夸克。
在研究夸克的时候,发现夸克与3这个数字特别有缘,3呼夸克,3种夸克;夸克的种类多了以后,夸克又可以分成3组,人们把这种组叫做“代”,也就是夸克有3代。
可是,夸克的第三代里还缺一个夸克,科学家假设它叫顶夸克。1994年4月6日,在费米实验室,终于发现了顶夸克的存在。
在费米实验室,有一个加速器,地下的环形隧道长达6.4千米。在长达8年的时间里,先后有900名科学家在这里工作,终于找到了顶夸克。这一发现,证实了夸克是存在的,证实了顶夸克是第三代。
新的发现,带来了新的希望,也带来了新的问题:
“3”字有什么意义?
为什么只证实了顶夸克的存在?
而最基本的问题仍然是:物质的最小结构就是夸克吗?
盒子里还有盒子吗?
卞毓麟,1943年7月生,1965年南京大学天文系毕业。现为中国科学院北京天文台教授,中国天文学会常务理事,天文学名词审定委员会主任,中国科普作家协会会员,上海科技教育出版社版权部主任。1999年4月起任上海交通大学科学史和科学哲学系兼职教授,现为上海天文学会副理事长、中国科普作协翻译工作委员会副主任。
57岁,完全可以过悠闲的日子,但是他没有,却“改行”以满腔热情投身到出版界,为开辟另一片天地努力拼搏,这就是我国天文学家、著名科普作家卞毓麟教授,他从中科院走到出版社,由作者变成编辑。
卞毓麟从事科普创作20多年,参与编著、翻译的科普图书有70余种,发表的科普文章约400篇,累计字数近400余万。他的读者从刚识字的娃娃到非本行的科学家都有,读过《语文》课本中那篇饶有趣味的短文《月亮——地球的妻子?姐妹?还是女儿?》的中学生们,都能说出“卞毓麟”。他的科普佳作不仅熔科学性趣味性于一炉,且极富人文色彩,如《恐龙·陨石及社会文明》、《“水调歌头·明月几时有”科学注》、《莎士比亚外篇》等,无不描绘着科学与文化一个个闪光的交点。他曾多次获得表彰,中国科普作家协会表彰他为“建国以来,特别是科普作协成立以来成绩突出的科普作家”;在1996年的全国科普工作会议上,他又被授予“全国先进科普工作者”的称号。
卞先生历来认为“科学家作为科学传播链中的发球员,奉献于科普实属责无旁贷”。他坚持不懈地通过各种途径努力向公众宣传科学知识、科学思想、科学方法和科学精神,社会效果显著。他认为现代人时间紧迫,社会公众需要了解新的科学进展,但又没有时间来啃一本本大部头的书,除了撰文著书外,还常在各种场合作科普演讲。早年他曾在海拔5000米的喀喇昆仑山上向边防战士讲解天文知识;1997年赴漠河观测日全食途经哈尔滨时,曾给当地近2000名中学生作关于日食的科普报告;同年中秋节,他又给1700名中学生讲了火星探索的最新进展。他曾是北京市教育局和北京市科委聘请的首都青少年校外科技导师,以及北京市三所中学的科技辅导员。
有名望、有成就的他为什么“改行”呢?他说,科学宣传与科学普及做得好不好,对社会进步影响很大;中国的科学普及宣传实在还太少,这真是科学资源的浪费。后投身到出版社,可以更有效地把更多优秀作品推向社会,传送到读者手中。曾经有朋友劝过他,“改行”当编辑不值得,但他不认为这样。他说,有很多选题策划,都来自于编辑,一名优秀的编辑应该成为使人们的精神生活变得更美的“时装设计师”。他还说,作为一名科普作家,每年写上一两本、甚至三本书,能写好,已很不容易了。而由他组织、从他手里编辑加工出去的好书,一年可能是5本、10本甚至更多。对整个社会而言,很难说这样做的贡献不如以前,实际上,很可能是贡献更大了。
卞教授来到上海科教社后创建了该社的版权部。在短短的2年多时间里,他与版权部的同事们齐心协力,推出了在社会上引起很大反响的“哲人石丛书”,已成为图书市场上的热门品种。卞毓麟为策划“名家演讲录”丛书分秒必争、殚精竭虑,如今这套别具一格的科普精品已经出了20种。
卞毓麟的作品有著译图书《星星离我们多远》等20种,发表科研论文60余篇,科普和科学文化作品300余篇,其中代表作有:《走近火星》、《宇宙风采》等。作品曾多次获奖。1990年以来,先后被中国科普作协表彰为“建国以来,特别是科普作协成立以来成绩突出的科普作家”,北京天文学会评选为“先进天文普及工作者”,中国天文学会表彰为“优秀天文科普工作者”,国家科委和中国科协表彰为“全国先进科普工作者”。科学时代需要更多像他那样对科普事业一往情深、不断奉献的科技和出版工作者。
20世纪60年代,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的,很多中国物理学家称其为“层子”,在台湾亦曾翻译“亏子”,但并不普遍使用。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根之觉醒》(Finnegans Wake)中的诗句:“向麦克老人三呼夸克。”(Three quarks for Muster Mark!)。