我是青末,一個想知道天高地厚的懵懂少年。
閒來無事,信手翻看了一些物理方面的書。
這兩天讀到基本粒子,其中關於上下夸克相互轉化的內容引起了我的注意:
❖ 在中子衰變成質子的β-衰變過程中,下夸克透過W-玻色子釋放一個電子和一個反電子中微子後,轉化成了上夸克。
❖ 當質子被反電子中微子強力轟擊時,則有可能發生β+衰變,質子變成中子,並向外發射一個正電子。換句話說,質子中的一個上夸克在強大能量的參與下,會與一個反電子中微子和一個電子重新結合成下夸克,從而讓這個質子轉化成為中子。
多麼有畫面感的描述呀,就像夸克、電子和中微子一起在玩拆積木和搭積木的遊戲,直觀而線性。那,我們為什麼不順水推舟地做一個猜想呢——電子是組成夸克的基本粒子之一,而夸克,並不是基本粒子。
如此順其自然的猜想,難道不是很美妙嗎,為什麼粒子的故事不能這樣寫下去呢?我都感覺到自己似乎有點“天真”地唐突了。不過,無知者無畏,既然夸克向我悄悄地送了一個秋波,何不就勢走近它一睹風采,若還能揭開它的面紗,那就更妙了。
於是,我把夸克和電子相關的資料再查閱了一些,果然又發現了點端倪。
如果說電子是夸克的組成部分,那我們當然需要來看看它們各自的質量:電子是0.51MeV/c²,上夸克是2.01±0.14MeV/c²,下夸克是4.79±0.16Mev/c²。
在β-衰變中,一個下夸克變成一個上夸克損失的質量是4.79-2.01=2.78 Mev/c²,遠遠大於一個電子的質量,多出來的質量,被反電子中微子以動能的形式釋放了。這恰恰與質子的質量也是以小部分的夸克和大部分的結合能組成的情況相似,說明在質子中存在的結合能同樣極有可能在夸克中存在著,而電子正是夸克結合過程的參與者。看到這裡,有沒有一點點小興奮了。
我們再延伸一下,或許電子真的是下夸克的組成部分之一,那麼,在上夸克裡會不會也有它的一席之地呢?
於是,繼續來看看電子與上夸克的質量對比:0.51:2.01。感謝上帝,這樣的資料即使不算完美,也應該是很漂亮的了吧——去掉一個電子的質量後,剩下的剛好可以是一個其它未知粒子,以及把它與電子結合在一起的能量。
都胡思亂想到這一步了,我們不妨再有模有樣地以科學求真的態度來做一做計算:
在下夸克失去一個電子變成上夸克的β-衰變過程中,能量損失比是2.78/4.79=58%,如果假設上夸克中包含有一個電子和一個未知粒子,那麼參照β-衰變的能量損失比,上夸克中的這個電子衰變出去,將帶走2.01x58%=1.17 Mev/c²的質量,而剩下的2.01-1.17=0.84 Mev/c²應該就是那個未知粒子的質量了,這個資料是不是同樣非常的漂亮!
各位,有沒有被震驚到,我們居然用猜想的方式把夸克的組成成分給挖掘“出來”了,更過分的是,還竟然把它的質量順帶給計算了!
—— 科學能是這個樣子來玩兒的嗎?
—— 抱歉,可能是有點兒不太嚴謹,但這思想一撒起野來,就剎不住車了。這個這個,反正都造次了,索性,咱們再玩嗨一點兒!
那就繼續吧。
根據目前已知的資訊,電子是帶有1個負電荷的基本粒子(-e),而組成質子和中子的上夸克帶有2/3個正電荷(2/3e)、下夸克帶有1/3個負電荷(-1/3e)。怎麼回事?夸克的電荷居然是分數!
有時候,我們真的不得不對科學家的腦洞油然而生崇高的敬意,但分數電荷對於我這樣腦力孱弱的人來說,還是太抽象了點。
雖然因為電子發現在先,人們依據從原始社會以來就形成的先來後到的秩序規則,把單位電荷的計量標準授予了電子。但夸克一旦知情,肯定是不服氣的,它是宇宙中的老祖先,人類不過是它們組裝出來的一種新鮮玩意而已。
這些自以為是的新玩意兒可以定製規則,憑什麼就不能改變規則呢?
好吧,如果我們調整一下,以1/3個電荷為基本單位來重新標定各基本粒子的電荷值,那麼下夸克的電荷值就變成了-1,上夸克則為2,電子為-3。看看,這樣的標定方式多好,一目瞭然,十分順溜嘛。
不過,一定有人會說,如今所有學科中關於電荷的表述和應用都是以1個電子的電荷為基準單位,改變的成本極高,影響極大。是的,這樣做好像是招搖了些,所以,我們何不以電子為界,設定一個新的更小的電荷計量單位呢,比如叫“電可”(k)——“可”字正好是組成“荷”字的三分之一(“電草”和“電人”顯然不太合適),規定3k=1e,即:3電可=1電荷。從此把“電可”作為電子、夸克及今後可能將會出現的更小帶電粒子的電荷計量單位,由此,下夸克是:-1/3e=-1k,上夸克是:2/3e=2k,電子則是:-1e=-3k。絲滑柔順,豈不美哉!
根據前面的猜想,上夸克極有可能是由一個電子和一個未知粒子組成。而電子的電荷是-3電可,莫非未知粒子是帶正電荷的,正是因為它與電子的異電相吸促發了上夸克的形成呢?嗯,猜想嘛,就是要奔放,我們不如把這個想像的未知粒子再寫實點,讓它看起來就象真的一樣。
那麼,我們再來做一道數學題,揭開這個猜想中夸克的又一根面紗吧。
因有:上夸克=2k,下夸克=-1k,電子=-3k
所以:設未知粒子電可數為X,若上夸克確實是由一個電子和一個未知粒子組成,且下夸克是由兩個電子和一個未知粒子組成,則有如下等式
(-3)+X=2
(-3)+X+(-3)=-1
解等式,得
X=5
驚不驚喜?意不意外?刺不刺激?
一不小心,連未知粒子的電可值我們都給算出來了,是+5k,換算成通常的電荷值就是+5/3e。現在,這個粒子已經被我們描畫得如此清晰,那就別“未知”了,順便給它取個名兒吧。它應該是與電子同一層級,並與電子共同構成夸克並物質世界的,最為重要的帶正電的基本粒子。乾脆,就叫它“正子”吧。
似乎所有的資料都在支援它的存在,我都幾乎不認為它是想象得來的了:正子與電子的電荷絕對值之比是5/3=1.67,正子與電子的質量比是0.84/0.51=1.65。而更令人感到無懈可擊的完美是:正子的質量比上正子電子質量之和為0.62。各位,如果它們的質量資料足夠精準,我相信這個比值一定會是0.618——這就是黃金分割比例的真正源頭,還有什麼比這更完美的呢!如果你在旁邊,我想咱們應該擊個掌了。
既然都已經放肆得不知天高地厚了,我們何不再來個徹底地放飛,把它的“身世”也順帶著給補齊了——
鴻蒙之初,宇宙中充滿著+5k的正子和比它更多的-3k電子,隨著溫度和壓力的下降,電磁力作用開始顯現,正子與電子異電相吸。因為電荷值的差異,它們會建立各種不同的組合形式。其中,3個正子和5個電子結合在一起,剛好達到電中性,從電磁力的角度來說,這就是最好的組合了。而這,恰好是疑似中子的組成結構,此時該粒子團的內部,正子與電子應該並非是隨意地結合在一起的。因為異電相吸的作用,粒子團內部的分佈形式極大可能是這樣的:
[ (電子+正子+電子)+(正子+電子)+(電子+正子+電子) ]
(-3k) + 5k + (-3k) + 5k + (-3k) + (-3k) + 5k + (-3k)
-1k + 2k + -1k = 0
我們完全可以想到,因為正子帶有的強大的正電荷,使得必然會有一個或兩個電子與它緊密結合,這就形成了上夸克和下夸克兩種核心組合,而在為了剛好達到整體電荷平衡歸零的理想狀態的需求推動下,順理成章地就由兩個下夸克和一個上夸克完成了形成中子的二次組合。並且,因為強力與電磁力的共同作用,它們形成了夸克禁閉。
但隨著作用力和環境的進一步變化,中子粒子團難以在空間中繼續獨立存在,其中的一個下夸克不得不透過β-衰變釋放出一個電子,演變為兩個上夸克與一個下夸克的質子組合。有了質子的出現,大量的中子得以與質子結合而留存下來,未能與質子結合的中子也都迅速地衰變成了質子。於是,電荷平衡的中子世界只在短暫出現後,就被質子取代,進而由質子及質子中子形成的核子吸引相應電荷的電子,再次實現電荷平衡,從而進入了原子時代。
至此,宇宙建設的基礎材料完美成型。
以上,就是這個美妙猜想的全部內容。
我們不妨把它歸納如下——
一種叫正子的基本粒子,質量大約是0.84Mev/c²,電荷為5/3e(5k),自旋為1/2(作為電子的異電兄弟,它當然應該是費米子家族的一員)。正子與電子結合成夸克,進而組合為中子和質子,最終構建起了我們整個的物質世界。
IT IS SO PERFECT!
狄拉克先生說:這麼漂亮的東西不可能是錯的。所以,還說什麼呢?除了趕緊給它命個名,我已對自己佩服得無話可說了。
那,就叫它“青末猜想”吧。