【中華百科全書●科學●基本粒子】

楊籍富

【中華百科全書●科學●基本粒子】

 

上下四乃謂之宇，古往今來謂之宙，宇指空間，宙指時間，而時空不可分離，故宇宙乃時空之綜合。

 

宇宙之運續演進；

 

造成包羅萬象眾生之大千世界，其中發生之一切自然現象，繁複龐雜，形形色色，或久或暫，或隱或顯，或有生命，或無生命，小如細胞，大如銀河，均由分子與原子所構成。

 

有生命者如人體，由1028至1030原子所構成，集108至1010原子形成一巨型分子如DNA或RNA，控制生命之奧祕。

 

分子無論如何複雜，均由原子所構成，原子含有原子核及環繞原子核之電子，而原子核則由質子與中子所構成。

 

由此可見宇宙中之萬物眾生，必由數種不可再分之基本粒子所構成。

 

此種觀點一向為物理學家所熱烈追求，但進展緩慢，經過三十來年之醞釀，在理論物理學家及實驗物理學家之不斷努力下，通十年來，進展神速，可謂已造成畫時代之革命性突破。

 

觀乎今日宇宙中大如銀河，小如原子，皆井然有序，具有一定之結構，由此不難想見粒子間必有交互作用力存在。

 

因受作用力之影響，粒子之運勁，受到限制，因而產生秩序與結構。

 

結構與作用力互相印證對方之存在，由結構之差異，可推斷宇宙中必有數種不同之作用力。

 

現在已發現四種不同之作用力，按其強度之大小，依次為萬有引力、弱作用力、電磁力、強作用力，萬有引力之強度最小，而強作用力之強度最大。

 

如強作用力之強度為1，則電磁力之強度為百分之一，即10-2，而弱作用力之強度為10-12，萬有引力之強度則為10-40。

 

茲將此四種作用力之性質分別闡述於下：一、萬有引力宇宙中一切物體及具有質量之粒子，皆能產生萬有引力而彼此互相吸引，如人造衛星與月球之繞地，行星之繞日，均可以萬有引力定律說明。

 

粒子之質量愈大，彼此之吸引力亦愈大，而粒子相距愈遠，則彼此之吸力愈小。

 

是以兩粒子間之萬有引力恆為吸力，其大小與兩粒子之質量乘積成正比，而與粒子間距離之平方成反比。

 

萬有引力隨粒子間距離之增加而逐漸減弱，但不論粒子間之距離如何遙遠，彼此之萬有引力作用，絕不能完全消失，亦即所謂長程力（LongRangeForce）。

 

萬有引力為四種作用力中之最弱者，故日常所見之物體，即使非常靠近，萬有引力仍極微弱，如行經龐大建築，亦難察覺任何引力，但如地球質量之龐大，其萬有引力顯而易見，地球對其他物體所產生之引力，即吾人所熟知之重力。

 

萬有引力雖極微弱，乃宇宙中最重要之力。

 

由於萬有引力之作用，宇宙方能由混亂之原始霹靂中，發展成今日之大千世界，諸如螺旋星雲與太陽系等結構，皆由萬有引力之作用而產生。

 

一般言之，弱作用力能決定大尺度之結構，而強作用力則決定小規模之結構。

 

由於萬有引力異常微弱，能常存於寰宇而改變宇宙整體之結構，惟對物質結構則無影響。

 

從地面拾一串鋼鏈，輕而易，但欲將之拉斷則甚難，故知鋼鏈內原子間之作用力遠超過地球對鋼鏈之萬有引力。

 

鋼鏈內原子間之作用力係電磁力，其性質與萬有引力相較迥然不同，容於下文闡述。

 

二、電磁作用力萬有引力由物體之質量而產生，任何二物體間之萬有引力恆為吸力。

 

電磁作用力由物體之淨電荷而產生，祇有兩物體帶有淨電荷，電磁力始能發揮作用。

 

日常所見之物體，多為不帶淨電荷之電中性體，故不能產生電磁力。

 

自然界有兩種不同電荷，即正電荷與負電荷（或稱陽電荷與陰電荷），如兩體均帶正電而或負電荷，則其間之作用力為斥力，如一帶正電荷，另一稱負電荷，則互相吸引。

 

換言之，同性相斥，異性相吸。

 

兩帶電體間之作用力與兩體間距離之平方成反比，與兩體所帶電荷之乘積成正比，是即所謂庫倫力（CoulombForce），與萬有引力相似，庫倫力亦為長程力，所不同者，庫倫力之強度遠超過萬有引力，且可為引力或斥力，由兩體所帶電荷之異同決定。

 

如兩體各帶正電及負電，而連以金屬線，則有電流從導線流過。

 

電荷開始流動乃產生電流，此攜帶電流之導線能與磁場交互作用，此即電動機之原理。

 

因磁場由電流所產生，故電場與磁場同時存在，而電磁作用力之意義乃表示電力與磁力密切相關。

 

兩者所產生之現象雖殊，但其力源實同。

 

電力與磁力即屬同源，吾人不難想像移動中之磁鐵，亦可施力於電荷，故當磁鐵通過線圈可使線圈產生感應電流，此即所謂電磁感應現象，亦為發電機之原理。

 

馬克斯威爾（Maxwell）由理論物理之觀點證明電磁場能在真空中以光速傳播，因而發現電磁波，並將電磁學與光學統一，而奠定近代物理學之基礎。

 

三、強作用力電磁作用力使電子環繞原子核運行，形成一穩定之束縛系統，是為原子。

 

中子與質子因受核子力之影響，亦形成一穩定之束縛系統，即原子核。

 

由於原子核之範圍甚小，且原子核內半數之核子為質子，故如欲構成一穩定之束縛系統，核子間之強大引力，必遠較電磁作用力更為強烈，以便克復質子與質子彼此間之同性電斥力。

 

因此核子間之作用力稱為強作用力。

 

作用於中子與中子、中子與質子，以及質子與質子間之核子力，其大小均相等。

 

換言之，核子力與核子之是否帶電無關。

 

核子力雖遠較電磁作用力更為強烈，但與電磁力及萬有引力相較，核子力之有效範圍甚小，如核子間之距離超過此有效範圍（R＝r0A1/3？

 

2.4A1/3fermi,1fermi＝10-13cm），則核子力完全消失，是以核子力亦稱為短程力（ShortRangeForce），而原子核之半徑R即核子力之有效範圍。

 

四、弱作用力強作用力使核子集結而形成原子核，弱作用力則能使原子核蛻變，此項作用於核子、電子以及微中子間之作用力，與電磁力及核子間之強作用力相較，極為微弱，故稱為弱作用力。

 

惟弱作用力之強度仍遠超過萬有引力。

 

弱作用力之強度雖遠小於電磁作用力但其特性與電磁力頗為相似，費密（Fermi）即根據此種相似性而提出β蛻變之理論。

 

粒子間之基本作用力即明則如何將此四種不同作用力以統一之觀點與方式描述，乃物理學家熱烈追求之理想。

 

由於近年來之突破，使此一理想，幾已成為事實。

 

除強度最弱之萬有引力以外，其餘三種作用力，即強作用力、弱作用力，與電磁力，已能以統一之觀點予以闡釋，而此統一場論，乃建立於基本粒子之分類與對稱觀念之上。

 

所有之基本作用力均由介子之交換而產生，而此介子即場之量子。

 

電磁力由光子之交換而產生，光子乃電磁場之量子，亦可視為產生電磁作用力之介子。

 

弱作用由交換卜子所造成，萬有引力則因交換萬有引力場之量子而產生。

 

基本粒子並無內在結構，在參與任何交互作用時均為一單獨粒子，不可再分（至少在目前之科技水準下，不可再分）。

 

最近之理論發展與實驗結果均顯示，基本粒子共有三類：即輕子（Leptons）、夸克（Ouarks），與介子（Mesons）。

 

輕子參與弱作用、電磁作用、但不參與強作用。

 

所有輕子均為自旋為1/2之粒子，如電子、μ粒子及τ粒子，以及其微中子等屬之。

 

由輕子產生之弱中性流與弱電流（TheLeptonicNeutralWeakCurrentandtheLeptonicChargedweakCurrent）均可以下式：(方程式1)表示之，而輕子、弱電流可以(方程式2)表示之。

 

前列各式中，ν表微中子，而νe、νμ及ντ，各表電子、μ粒子及τ粒子之微中子。

 

（1）式中之註腳L表左旋，（2）式中之rμ與r5表德瑞克方陣。

 

夸克共有六品，稱為土、下、奇、魅、真、美，各以u、d、s、c、t、b表之，而每品有三色，以紅、藍、綠表之。

 

電磁作用及弱作用之性質，與夸克之品味密切相關，而與夸克之色彩無關。

 

強作用力與夸克品味無關，但與夸克色彩密切相關，不同品之夸克其質量互異，即mu＜md＜ms＜mc＜mb＜mt（3）而夸克質量乃由弱作用引起之自發失稱（SpontaneousSymmetryBreaking）所致。

 

參與強作用之粒子稱為強子（Hadrons），在高能實驗中所發現之粒子，多屬強子。

 

強子又可分為兩大類：即自旋為整數之介子，與自旋為半整數（如1/2、3/2等）之重子。

 

介子與重子（Baryons）合稱強子，而強子並非基本粒子，乃由夸克所構成。

 

介子由夸克及反夸克造成，故u、d、s的等三個夸克及其對偶恰好形成九個自旋為零之介子。

 

重子由三個夸克形成，而反重子則由三個反夸克所構成。

 

每一夸克之自旋為1/2，而u、d、s夸克所帶電荷各為2/3、-1/3、-1/3，例如質子乃由兩個u夸克，及一個d夸克所構成，故質子所帶電荷為2/3 2/31/3＝1而中子則由兩個d夸克及一個u夸克所造成，故其所帶電荷為零。

 

強作用力由夸克交換膠子（Gluons）而產生，研究夸克與膠子交互作用之學，稱為量子色動力學（QuantumChromodynamics）。

 

自由夸克至今尚未在實驗中發現，一般均相信，自由態之夸克並不存在。

 

換言之，夸克乃永恆束縛於強子之中，而夸克在強子中之束縛態則由量子色動力學所描述。

 

所有夸克與輕子之交互作用如電磁作用與弱作用皆由交換向量卜子V、W 、W-，及Z0而產生。

 

換言之，電磁作用與弱作用可以統一之觀點闡釋，亦即所謂文堡與沙朗模型（Weinberg-Salam）文─沙模型將電磁作用與弱作用放在平等地位上處理，認為電磁力由光子傳遞，而弱作用力則由W 、W-，及Z0等粒子所傳遞。

 

光子γ與W 、W-，及Z0乃同等地位之粒子，惟以弱作用所引起之自發對稱突破（SpontaneousSymmetryBreaking），致使光子保持無質量，而W 、W-，與Z0則變成甚重之粒子。

 

惟其如此，方使電磁作用力與弱作用力顯出不同面目。

 

由於電磁作用與弱作用之統一乃以不同品味之夸克與輕子之交互作用為基礎，且在形式上此項統一場論乃將量子電動力學加以擴充而成，故亦稱為量子味動力學（QuantumFlavordynamics）。

 

此項統一場論之多種預測已得實驗證實，惟此項理論之直接證據，如W 、W-，及Z0粒子之觀測，則仍有待更高能之加速器之建造。

 

強作用力由夸克交換膠子而產生。

 

因強作用與夸克之品味無關，而與色彩有關，故研究夸克與膠子交互作用之學稱為量子色動力學。

 

電磁力與弱力之統一，現已為學者所普遍接受。

 

樂觀言之，除萬有引力以外，強作用、弱作用與電磁作用之統一，可謂已在目前，茲將輕子、夸克、強子（包括介子與重子）之特性列表如下。

 

（鄒志剛）見圖1（輕子、介子與重子之特性）見圖2（夸克之特性）見圖3（重子之特性）見圖4（無向介子之性質）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=9860