基本粒子周期表

在撞击实验过去一个世纪之后，物理学家发现了十二种基本物质粒子，并把它们排列在了下面的表格里。

让我们花一点时间了解这个表格的重要性。记住，原始人物理学家奥克和古可最初的宇宙理论是这样的：

这是一幅完整的宇宙信息图像，但它没有什么用处，因为它没有呈现任何基本的、有价值的信息。它只是呈现了显而易见的事情。后来，古希腊人提出，万物是由四种元素构成的：水、土、空气和火。现在我们知道，这完全是错误的，但是古希腊人至少在正确的方向上迈进了一步，因为这个想法试图简化人类对于这个世界的描述。

接下来，人们发现，元素、石头、土壤、水和羊驼都是由原子组成的。再后来，人们发现原子是由更小的粒子组成的，其中一些还可以分成更小的粒子（夸克）。以往的经验告诉我们，原子和羊驼都不是构成宇宙的基本单位。如果存在一个宇宙的基本公式，那么我们可以确定，不管这个公式是什么样的，它肯定不包含一个叫作N羊驼的变量。羊驼和原子都无法定义物质的本质，它们仅仅是基本单位所堆积出来的东西（抱歉，羊驼！），就好比龙卷风是风的表象，恒星是气体和引力的表象。

为已知和未知的情况列表可以帮助我们发现规律和缺失。假设你是19世纪的科学家（是的，你可以想象自己戴着很丑的眼镜），你并不知道原子实际上由更小的电子、质子和中子构成。如果你把自己知道的信息归纳成一个元素周期表，那么你会发现一些有趣的事情。

你会注意到，元素周期表一侧的元素非常容易发生化学反应，而另外一侧的元素则是惰性的。位置相近的元素（比如金属元素）具有相似的性质。一些元素比另一些更难找到。

所有这些令人好奇的规律都提供了一个线索：元素周期表呈现的并不是最基本层面上的宇宙。也就是说，这背后还有更深层次的东西。举个例子：你碰到一群孩子，并且注意到了他们的共同点。虽然各有特点，但他们的长相和行为相似，你或许会假设他们的父母是同一对夫妻。同样，科学家在查看周期表早期版本的时候，也注意到了这些规律，于是他们开始思考这背后藏着什么。

我们现在知道，元素周期表中的规律关乎电子轨道的排列方式。我们还知道，元素周期表上每一个位置都有一个元素，一些元素之所以稀有，是因为它们会产生放射性衰变。只要把合适数目的中子、质子和电子放在一起，我们就可以得到任何一种元素。

重点在于，我们需要把已有的知识组织起来，仔细研究，发现其中的规律和缺失，并且由此提出正确的问题。通过这样的过程，我们最终会在更深的层面上了解宇宙。

整理基本物质粒子表（包含夸克和轻子）让科学家花费了20世纪的大多数时间。我们称这些粒子为基本粒子，这并不是因为它们有趣（尽管它们确实很有趣），而是因为我们还没发现它们是由更小的粒子构成的。其实我们没有任何证据能证明它们是宇宙中最基本的粒子，但它们是我们目前所知道的最小物质单位。

研究一下前面出现过的粒子表格，你也会注意到一些有趣的规律。你会发现两种不同的物质粒子：夸克和轻子。我们知道它们有所不同，因为夸克还会受到强核力的作用，这一点和轻子不同。你还会注意到，构成常规物质的粒子都位于第一列（上夸克、下夸克、电子）。第一列中有被称为电子中微子（νe）的第四个粒子，它像幽灵般快速穿过宇宙，几乎不与其中的东西相互作用。

这还不是全部，除了这四个粒子，还有一些粒子位于其他列。除了质量更大之外，每一列的粒子都和第一列很像（具有相同的特性，比如电荷和力的相互作用）。每一列都是一代，人们已经列出了三代。

你或许很快就会提出一些问题：

·这些粒子为什么是一列一列出现的？

·这些粒子是用来做什么的？

·这些粒子的质量有什么规律？

·那些1/3电荷的粒子是用来做什么的？

·还有别的粒子吗？

你自然会提出这些问题。谜团会让一部分人感到害怕，所以保持放松的心态很重要的。记住，我们的策略是把已知的知识组织起来，寻找其中的规律和缺失，从而提出问题。提出好的问题可以帮助我们得到更深刻的答案。

几十年之前，这张基本粒子表更加不完整。有几种夸克和轻子还没有被发现。不过，物理学家注意到了表中的规律，于是通过这种规律找到了缺失的粒子。很多年前，物理学家就知道应该有第六种夸克存在，因为表中为这种粒子留下了一个空缺的位置。虽然还没有找到它，但人们已经如此确信它是存在的，很多的教科书都包含了这个知识点，还预测了第六种夸克的质量。20年后，上夸克终于被发现了，它的质量比人们预测的要大很多。这也是人们花了这么长的时间寻找它的原因，这意味着很多教科书必须修改。

物理学家填补了这张重要的表格并且研究了其中的规律。在过去的几十年当中，我们得到了某些答案，也提出了更多的问题。