我們生活在一個(gè)物質(zhì)世界，形形色色的物質(zhì)充斥著我們的視線，但是僅僅憑借肉眼或者經(jīng)驗(yàn)，我們只能把握很小一部分的物質(zhì)世界。以宏觀而論，宇宙中存在我們無(wú)法看到甚至難以想象的“宏大”物質(zhì)：以微觀而論，我們身邊就有同樣既不可能看見(jiàn)也無(wú)法想象的“微小”物質(zhì)。近代第一個(gè)站得住腳的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，是1804年英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出的“原子論”。這種理論認(rèn)為，形態(tài)多樣、表現(xiàn)迥異的各種物質(zhì)，是由某些極其微小、不可再分割的原子所組成的。道爾頓第一次以科學(xué)的名義把這一古老哲學(xué)思想肯定下來(lái)。1811年，意大利化學(xué)家阿伏伽德羅提出了“原子，分子學(xué)說(shuō)”，補(bǔ)充了道爾頓的原子論。他認(rèn)為原子是參加化學(xué)反應(yīng)的最小粒子，分子是物質(zhì)能獨(dú)立存在的最小粒子。可惜的是，這個(gè)理論竟然慘遭冷落達(dá)50年。1860年，意大利物理學(xué)家康尼查羅利用更加豐富的資料，再次清晰地闡述了原子．分子論，終于得到舉世公認(rèn)。后來(lái)，這樣一種觀念幾乎牢不可破：物質(zhì)是由分子組成，分子由原子組成，原子是不可分割的。

原子真的是不可分割的嗎?這同人們?cè)缇陀械摹盁o(wú)窮小”概念不符合。比如，中國(guó)古代就有一個(gè)物質(zhì)可以無(wú)限分割的命題：“一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭?！辈贿^(guò)話說(shuō)回來(lái)，要突破原子的界限，必須拿出可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。19世紀(jì)后半葉，人們?cè)谘芯空婵辗烹姽軙r(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種陰極射線。這種陰極射線究竟是什么呢?當(dāng)時(shí)人們的看法各種各樣，莫衷一是。在經(jīng)過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的探索后，英國(guó)科學(xué)家湯姆遜最終確認(rèn)：陰極射線其實(shí)是一種比原子小得多的粒子——電子。

電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子不可分割的古老神話。既然有比原子更小的粒子，那么原子的結(jié)構(gòu)就可以破解了。不久，人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)，原子是由極其微小但又占據(jù)了原子絕大部分質(zhì)量的“原子核”和繞原子核旋轉(zhuǎn)的“電子”所組成：原子的結(jié)構(gòu)正像行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)一樣。

下一步是分割原子核。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究揭示，原子核是由更基本的兩種粒子——“質(zhì)子”和“中子”所組成。與此同時(shí)，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了與質(zhì)子、中子、電子屬于同一層次的為數(shù)不多的幾個(gè)粒子。于是，一些物理學(xué)家認(rèn)為，人類關(guān)于物質(zhì)構(gòu)成的探索，到此可謂“大功告成”。原來(lái)，物質(zhì)就是由一個(gè)層次接一個(gè)層次的粒子構(gòu)成的。物理學(xué)家們把這些粒子命名為“基本粒子”，把它們看作是組成物質(zhì)世界的“基石”。然而，實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展，再一次否定了物質(zhì)分割有極限的思想。大量壽命極短的不穩(wěn)定粒子的出現(xiàn)，促使人們?nèi)タ紤]：所謂的基本粒子是否是由更深一層次的粒子所構(gòu)成的?

當(dāng)時(shí)，人們把基本粒子分作兩類，一類是“輕子”(包括電子、中微子等)，另一類是占據(jù)基本粒子家族絕大多數(shù)的“強(qiáng)子”(包括質(zhì)子、中子等)。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)既然發(fā)現(xiàn)強(qiáng)子仍然具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那么順理成章地，所謂“基本粒子”也就不再“基本”。

1964年，美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼等人提出“夸克模型”。他們認(rèn)為，所有的強(qiáng)子都是由若干種叫做“夸克”的更深層次的粒子組成。西方人將這些粒子稱為“夸克”，中國(guó)人則常常又稱它們?yōu)椤皩幼印?。顧名思義，層子是相對(duì)電子、質(zhì)子、中子這些基本粒子來(lái)說(shuō)的，它屬于“下一層次的粒子”。蓋爾曼等人認(rèn)為夸克帶“分?jǐn)?shù)電荷”，它們被禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部，不能脫離強(qiáng)子自由運(yùn)動(dòng)。

夸克模型出現(xiàn)之后，又有人提出夸克是物質(zhì)分割的極限。因?yàn)榭淇吮唤]在強(qiáng)子內(nèi)部，本身也無(wú)法直接觀察。然而，對(duì)大自然的好奇心，促使人們對(duì)夸克是否還有“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生濃厚的興趣。目前的跡象表明，夸克和輕子可能是由某些更為基本的粒子所組成，夸克和輕子之間具有極大的對(duì)稱性。根據(jù)目前的理論，夸克可分為三代，每代有兩種(不計(jì)反夸克)，它們分別是(u，d)、(c，s)和(t，b)。輕子也有三代，每代也有兩種。如此多的粒子表明，即便夸克和輕子，也不可能是物質(zhì)分割的“最小單元”。但是從1964年至今，人們還沒(méi)有“看到”過(guò)夸克的真實(shí)面目。在蓋爾曼提出的夸克理論中，他假設(shè)存在三種夸克。他用這三種夸克及它們的反粒子來(lái)說(shuō)明微觀粒子構(gòu)成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理學(xué)家至今還不能使夸克脫離其他微觀粒子而獨(dú)立存在，它只能像犯了錯(cuò)誤而被關(guān)禁閉的士兵那樣，被幽禁在微觀粒子中。所以，“夸克禁閉”成了當(dāng)今粒子物理學(xué)的難題之一，這對(duì)哲學(xué)中關(guān)于物質(zhì)無(wú)限可分的觀點(diǎn)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家為了尋找自由夸克，絞盡了腦汁。每當(dāng)一臺(tái)新的高能加速器建成以后，首要的任務(wù)之一就是試圖找到夸克。有的物理學(xué)家把微觀粒子想成一只口袋，夸克永遠(yuǎn)被裹在這只口袋里一一在這口袋的小范圍內(nèi)，它可以自由飛翔，但決不許脫離這個(gè)口袋。就是這個(gè)神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永遠(yuǎn)隔離開(kāi)來(lái)。也有的物理學(xué)家把微觀設(shè)想成一口半徑很小又很深的“井”，夸克過(guò)的就是這種“坐‘井’觀天”的生活。在“井”里它們都相當(dāng)自由，運(yùn)動(dòng)速度也不快，可就是跑不出去。人們必須提供極大的能量，才能把它從“井”底拉出來(lái)。但是目前人們還沒(méi)有辦法產(chǎn)生這么大的能量，使夸克獲得“解放”。

既然不能直接找到自由夸克，一些物理學(xué)家就改變了策略，企圖間接地搜尋它。因?yàn)楦鶕?jù)理論推測(cè)，夸克帶有所謂的“分?jǐn)?shù)電荷”，這使物理學(xué)家看到了一線希望。他們認(rèn)為只要找到了“分?jǐn)?shù)電荷”的攜帶者，那也許它就是夸克的化身了。因此物理學(xué)家在粒子加速器、隕石、月球、地下深井和海底等許多地方“張羅織網(wǎng)”，到處尋找具有“分?jǐn)?shù)電荷”的粒子。

目前探測(cè)夸克結(jié)構(gòu)和輕子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)都在進(jìn)行中，但未取得進(jìn)展?？紤]到原子和原子核的線度相差10萬(wàn)倍，因而可以預(yù)言夸克的結(jié)構(gòu)最多只能在10^-20米的尺度上顯示出來(lái)；但目前的實(shí)驗(yàn)只能探測(cè)到10^-17米的線度，因而夸克究竟是否有“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”，至今還是一個(gè)謎。

責(zé)任編輯 蒲 暉