现代生命科学真知探索卷 虚空之探索 (二)
物质是由分子构成的，分子是由原子构成的。在本世纪30年代以前，古典物理学一直认为：原子是组成物质的最小颗粒。1932年，科学家经过研究证实：原子是由电子、中子和质子组成的。以后，科学家们把比原子核次一级的小粒子，如质子、中子等看作是物质微观结构的第三个层次，统称为基本粒子。1964年，美国物理学家马雷·盖尔曼大胆地提出新理论：质子和中子并非是最基本的颗粒，它们是由一种更微小的东西——夸克构成的。为了寻找夸克，全世界优秀的物理学家奋斗了20年，终于获得成功。
介子与核力
30年代初，虽然科学家已经知道原子核是由质子和中子组成的，但是，却无法解释其中的一些问题。比如：质子都具有正电荷，而正电荷是互相排斥的，它们靠得越近，彼此间互相排斥的力量就越强。在原子核内部，几个、几十个质子紧紧地挤在一起，排斥力极强，但是，原子核并没有因此而分崩离析，这是为什么呢?日本科学家汤川秀树对这个问题考虑了很久，他认为：一定是存在着某种特殊的拉力，使那些质子维系在一起。这种拉力必定很强，它能够克服把质子互相推开的"电磁力"。他又发现：当质子位于原子核外时，它们互相排斥，丝毫没有任何吸引的迹象。也就是说，这种力非常特别，它仅在非常短的距离上起作用。汤川秀树把这种只在原子核内才能觉察到、但又极强的吸引力称为"核力"。1934年，汤川秀树发表了基本粒子相互作用的论文，预言用β粒子轰击某种原子核能产生一种新的粒子，并推测它的质量介于电子和质子之间，称作"介子"。第二年，汤川秀树在对核力进行了深入的研究后宣称：这种核力可能是由原子核内的质子和中子不断交换介子而产生的，质子和中子在来回抛掷介子，当它们近得能抛掷和接住这些介子的时候，它们就能牢牢地维系在一起，一旦中子和质子离得较远，那些介子不再能抵达对方时，核力也就失效了。汤川秀树的理论很好地解释了核力，但是，这种介子是否存在呢？当时谁也说不清楚，如果这种介子根本不存在，那么，汤川秀树的理论也就不成立。刚巧，就在汤川秀树宣布他的理论的时候，在科罗拉多州高高的派克斯峰上研究宇宙线的美国物理学家安德逊，却为汤川秀树的理论提供了证据。安德逊用宇宙线粒子击中空气中的原子，将击出的粒子引入充满湿空气的云室，然后，用照相机拍摄下粒子的径迹进行研究。一天，安德逊从他所拍摄的数以千计的照片中，发现了一些特殊的径迹，其弯曲的方式表明它们比电子重，但又比质子轻。这种现象随后引起了许多科学家的兴趣，经过认真研究，便有人于1936年首先宣布已经发现了汤川秀树所说的介子。但是，好事多磨，以后的研究表明，这种介子比汤川秀树所预言的那种粒子稍微轻了一点儿，在其他方面也与汤川秀树所说的粒子毫不相干。这种较轻的介子被称为"μ介子"(μ子)。虽然不是汤川秀树所说的那种介子，但毕竟发现了新的粒子。科学家们欢欣鼓舞，继续寻找着证据。1947年，英国物理学家鲍威尔在玻利维亚安第斯山上研究着宇宙线。他没有使用云室，而是用一些特殊的照相药品。当亚原子粒子击中它们时，这些物质就会变暗。鲍威尔在研究粒子的径迹时，也发现了一种介子，这种介子比早先发现的那种μ介子重，称为"π介子"(π子)，它恰恰具备汤川秀树预言的那种粒子的性质。这些新的μ子、π子是非常不稳定的粒子，它们形成之后存在不了多长时间，π子大约只能存在一亿分之二点五秒，然后便分裂成较轻的μ子。当它形成时，通常总是以每秒成千上万公里的惊人速度飞驰着，即使在十亿分之一秒钟之内，它也已经飞行了若干厘米，于是，便留下了一条径迹，这种径迹到了末端便变成另一种形式，表明π子已经消失，而由μ子取而代之。μ子持续的时间相对来讲却要长得多，它可持续百万分之几秒钟，然后，分裂而形成电子。电子是稳定的，如果没有外界的影响，它就会永恒不变地存在下去。到40年代末，人们设想的原子核图景似乎已经非常完美，它含有质子和中子，它们由来回飞闪的π子维系在一起，化学家们则弄清了每一种不同原子的质子数和中子数。
有"正"就有"反"
30年代初，英国物理学家狄拉克认为：每一种粒子都应该有一个与之相反的伙伴，称为"反粒子"。按照他的理论，有一个电子就应该有一个"反电子"，"反电子"的质量应该恰恰等于电子的质量，其电荷则正好相反，也就是说，它的电荷不是-1，而是+1。1932年，安德逊在研究宇宙线时，注意到在一张云室照片上有一条径迹，虽然他很容易地认出这是由电子所产生的，但有一件事甚为蹊跷，那就是其弯曲方向错了！这意味着它不是带负电荷，而是带正电荷，这正是狄拉克所说的"反电子"。"反电子"的存在，对狄拉克的理论十分有利。随着时间的流逝，人们发现的反粒子也越来越多。例如，通常的μ子像电子一样，其电荷为-1，人们常称其为负μ子。反μ子除了像正电子一样，具有+1的电荷以外，其他一切方面都恰与μ子相同，所以，人们把它称作正μ子。通常的π子是电荷为+1的正π子，反π子则是电荷为-1的负π子。到40年代末期，看来完全有理由假定，既存在着正常的原子核，它由质子和中子组成，且有正π子在其间往返飞驰，也存在着反原子核，它由反质子和反中子组成，在其间往返不已的则是反π子。但是，探测反质子甚至比探测π子更困难，反质子的质量与质子相同，这意味着它的质量为π子的质量的7倍，产生一个反质子所需集中的能量也将7倍于产生一个π子所需的能量。产生一个π子所需的能量是若干亿电子伏，产生一个反质子就需几十亿电子伏的能量了。为了更好地观察这些高能粒子，1954年3月，在美国加利福尼亚大学建成了一座产生高能粒子的装置。科学家西格雷和张伯仑用它来加速质子，使质子的能量达到60亿电子伏，然后，让它猛然撞到一块铜片上，结果，他们发现产生了介子，相应于每一个可能的反质子就伴有数以千计的介子，不过，介子要比反质子轻得多，运动速度也比反质子快。西格雷小组安装的检测设备能以适当的方式作出反应，从而拣出慢速运动的带负电荷的重粒子。当这种检测装置反应正常时，只有恰恰具备反质子的预期特征的东西才能触发它。到1955年10月，这种检测装置已经触发了60次，这不可能是偶然的事情，所以，反质子必定存在，他们宣布了这一发现。存在着反质子和反中子，但是，它们能结合起来形成一个反核呢？物理学家们认为是能够的，但一直到1965年才找到最终答案。那一年，美国布鲁海文国立实验室的科学家们，用具有70亿电子伏能量的质子轰击铍靶，结果发生了数起反质子与反中子相接触的事件，它们都被检测到了。
"八重法"
1947年，英国物理学家罗彻斯特和巴特勒，在用云室研究宇宙线时，偶然发现了一个奇特的"v"型径迹，似乎是某种中性粒子突然分裂成2个带有一定电荷粒子，分别朝不同的方向匆匆离去。其中一个是π子，另一个则是某种新粒子。根据它留下的径迹的性质来看，其质量似乎为电子的1000倍。科学家们从未想到存在这样的粒子，它使物理学家们大为震惊。起初，除了给它取个名字之外，物理学家们对它全然不知所措，就称它为"v粒子"，而产生这种粒子的碰撞就称为"v事件"。科学家们开始注意了这一事件，不久便发现更多的"v事件"。到1950年，科学家们发现这些"v粒子"实际上似乎比质子或中子还要重。这又是令人震惊的事情，因为物理学家们先前一直理所当然地认为质子和中子乃是质量最大的粒子。物理学家们在惊疑之余便着手研究这些新粒子了。科学家们发现，第一次发现的那个"v粒子"，某些性质与π子十分相似，因此被归入介子一类，被称为k介子(k子)，它共有4种：带正电的k子、带负电的反k子、中性的k子，以及中性的反k子。50年代初，所发现的其他"v粒子"都比质子重，科学家们将它们归为一组而称为超子，它们有许多性质都与质子和中子相似，所以，人们也把它们合在一起统称为重子。1960年以后，由于采用了新的探测装置——"气泡室"，所以又发现了许多新的粒子，数量已超过百种，被称为"共振粒子"。这些新粒子寿命十分短暂，寿命最短的粒子仅为十亿分之一秒钟左右。当共振粒子开始为人所知时，物理学家们便开始越来越认真地考虑解释如此众多的重粒子的方法，他们不明白为什么要有这么多的粒子。越来越多的科学家开始想到，粒子的确切数目也许并不重要，也许粒子是以族的形式存在的，它们应该归并为一些"粒子族"。1961年，美国物理学家盖尔曼和以色列的尼曼各自独立地提出了彼此极其相似的方案，来构成这些粒子族。盖尔曼认真地整理物理学家们所弄清的各种粒子的性质。为了建立一种粒子族的配置方案，盖尔曼需要与8种不同的性质打交道，他诙谐地把自己的体系称为"八重法"——佛教中所说的8种解脱途径。他创造了一个由10个粒子组成的粒子族，设想有一个三角形，其底部有4个物体，在它上面是3个物体，再上面是2个物体，在顶端是唯一的1个物体。底部的4个物体是相互有关的Δ粒子，每一个都比质子重30%左右，它们之间的主要差异在于电荷。这4种Δ粒子所具有的电荷分别为-1、0、+1和+2；在它们之上的3个∑粒子，它们比Δ粒子更重，带有电荷-1、0以及+1；再上面是两个Ξ粒子，它们比∑粒子更重，所带的电荷是-1和0；最后，在这个三角形的顶端是一个最重电荷为-1的粒子，盖尔曼称最后这一种粒子为负Ω粒子，因为Ω是希腊字母表中的最后一个字母，并且这种粒子又带一个负电荷。盖尔曼琢磨着他的设想，忽然发现在这个图形中规律性很强：质量越来越大，粒子数则越来越少；电荷的排列方式同样也很有规律：底层是-1、0、+1、+2，然后是-1、0、+1，再上面一层是-1、0，最后是顶部的-1。其他性质也处处都以有规律的方式变化着，整个事情确实非常干净利索。"这是偶然的吗?"盖尔曼不时地想着这个问题。但是，盖尔曼不明白，在这个粒子族的10个粒子中，当时已知的只有其中的9个，从来也没有人观察到位于这个图形顶端的第10个粒子，即负Ω粒子，如果它不存在的话，那么，这整个图像就垮了。盖尔曼认为：负Ω粒子确实是存在的，如果人们去寻找它，并且确切地知道它们正在寻找的究竟是什么样的东西，那么，他们是能够找到的。盖尔曼的设想公布之后，引起了其他科学家的重视。如果盖尔曼的设想是正确的话，那么，人们只要采取与此设想吻合的各种数值，便能推演出负Ω粒子的全部特征。有些科学家进行了认真的研究，他们发现负Ω粒子有许多不可思议之处：它要适于占据那个三角形的顶端所处的地位，就必须具有很不寻常的奇异数。位于三角形底部的Δ粒子的奇异数为0，其上的∑粒子的奇异数为-1，再上面的Ξ粒子奇异数为-2，因此，顶端的负Ω粒子的奇异数就必须是-3。物理学家们从未遇到过这么大的奇异数，而且，也难以相信一个粒子的奇异数会那么大。物理学家们认为，如果真能产生负Ω粒子，那么要形成这个粒子，必须轰击高能负k子，使之转变成质子。如果一切正常的话，那么偶然发生一次这样的碰撞便会产生一个质子、一个正k子、一个中性k子以及一个负Ω粒子。1963年11月，物理学家们开始使用布鲁克海文的一台庞大的新设备对粒子进行加速，它可以把粒子加速到拥有330亿电子伏的能量，这超过了数年前用来产生反质子的能量的5倍。到1964年1月30日，科学家从拍摄到的5万张照片中还没有发现任何异常的事件，但到31日，出现了一张照片，在这张照片上有一系列径迹，似乎表明产生了一个负Ω粒子，它继而又分裂成其他粒子，如果往回追溯某些容易识别的已知粒子，并算出它们必定是由哪几种粒子变来的，然后再继续追溯后者的由来的话，那么，最后就会遇到一个存在时间极其短暂的负Ω粒子。几个星期之后，另一张照片呈现出一组不同的径迹，追溯到最后，也是一个Ω粒子。也就是说，人们探测到了一个粒子，它以两种不同的方式分裂，对负Ω粒子而言，如果它恰恰具有盖尔曼所预言的性质，那么这两种分裂方式都是可能的。从那以后，人们又探测到许多负Ω粒子，它们全部具有恰如盖尔曼预言的那些性质。至此，科学家已经知道，负Ω粒子之所以在过去没有测到它，是因为它极难形成，而且存在时间又如此短暂。
新颖的夸克模型
盖尔曼在研究他的粒子族方案时发现，它们是由更深层次的3种组元构成的，因为每一种不同的重子都需要3个这样的粒子。1963年，他决定为他提出的粒子命名，但叫什么好呢?他偶然想起了詹姆斯·乔伊斯所写的《芬尼根斯·威克》中的一句话："三个夸克原顶得上一个马克"。于是，他就把这些粒子称做"夸克"。盖尔曼最初提出的那3种夸克，分别称为上夸克(u)、下夸克(d)和奇夸克(s)。上夸克所具有的电荷是+2/3，下夸克和奇夸克均为-1/3，它们各有自己的反粒子——反夸克。正、反夸克所带的电荷正好相反，所有的重子都由3个夸克构成。例如：质子由2个上夸克、1个下夸克组成(uud)，中子由1个上夸克、2个下夸克组成(udd)。其他重子也与此类似，例如正∑子是由2个上夸克和1个奇夸克构成(uus)，负子是由3个奇夸克构成(sss)。所有的介子都由一个夸克和一个反夸克构成，例如正k介子是由1个上夸克和1个反奇夸克构成，负π介子是由1个下夸克和1个反上夸克构成。至此，可以说是一切如意，所有已知的强子都可以用区区几种夸克构成：整个宇宙由两类"建筑材料"构成，一类是轻子，一类是夸克。这3种夸克加上已知的4种轻子，便成为构成世界万物的本原。如果夸克适用于盖尔曼所设计的方案，那么，它们就必须具有某些非常奇特的性质，而最奇特之处，当推它们必须具有分数电荷。最初发现电子时，为了方便起见，人们就把它的电荷定为-1，以后新发现的所有粒子如果带电就是恰恰等于电子电荷，或者恰恰等于电子电荷的整数倍，从来没有发现过分数电荷。对于正电荷也是如此。但是，夸克却不同了，它所带的电荷是-1／3和+2／3。盖尔曼提出夸克模型后，科学家们召开了一次国际学术会议，有人曾经当面向他提问："夸克是否当真存在?"盖尔曼的回答极为简练："谁知道呢?"对于盖尔曼的回答，著名的前苏联理论物理学家和天体物理学家泽尔多维奇作了这样的评价："恐怕需要另一支笔——作家的笔，才能表现出他这句简短的话中的全部含义。这里包含着对实验的巨大尊重，因为归根到底要靠实验来解决科学问题并推动科学前进。这里表现出盖尔曼精神上素有的勇气、对新事物的敏感，也表现出他的求实精神。他准备接受自然界给予的一切，并以此来创造新理论，继续导致新的实验。"为了检验盖尔曼所提出的设想，科学家们进行了不懈的努力。按照盖尔曼的理论，如果要打碎1个质子或打碎别的粒子，以形成1个夸克，那么，就可提供当初由夸克释放出来的全部能量，必须提供足以形成30倍于质子质量的一群粒子，所需的能量至少要比50年代产生质子和反质子时的能量大15倍。为了使粒子获得巨额的能量，人们采取的办法就是将粒子的运动速度加至极快。1967年，前苏联建成一台760亿电子伏的强聚焦质子同步加速器；1976年，西欧核子研究中心建成一台4000亿电子伏的加速器，……尽管新的加速器所提供的能量越来越高，但是，打碎质子或其他粒子，捕捉由此产生的夸克，却总是得出否定的结果。到70年代，人们只有几次勉强地宣布，似乎"看见"了夸克的影子。1974年8月，美籍华裔物理学家丁肇中，率领一个科学家小组，用布鲁克海文的那台330亿电子伏的加速器进行实验，发现了一个新粒子。同年11月，他们宣布了这一发现，并将它命名为"j粒子"。几乎与此同时，在斯坦福大学直线加速器中心，以美国物理学家里希特为首的另一组高能物理工作者，也独立地发现了这种粒子，并将它取名为ψ粒子。不久，在意大利和联邦德国的加速器中也相继观察到这种粒子。新粒子的奇特性质又引起了很大的震动，人们对粒子进行分类时，无法确定它的归属，它是一种玻色子，其自旋是整数，但是它的质量很大，所以决不是光子，而像是一种强子，它的质量达质子质量的3倍半。通常，质量这么大的强子寿命都极短，但是j粒子的寿命却比质量与之相近的那些强子要长1000倍，这标志着它与先前已知的粒子有着原则性的差别。人们把j粒子称做粲夸克(c夸克)。它的反粒子称为反c夸克。j粒子发现以后，人们继续致力于证实粲夸克存在的各项预言。在布鲁克海文、欧洲核子研究中心和费米实验室的气泡室实验中，曾经不断地获得可能是粲粒子的痕迹。1976年下半年，美国的一些物理学家用4000亿电子伏的高能质子打靶，在由此产生的许多事例中，又发现了一个新粒子，它的行为完全符合粲粒子应该具备的特征，它是第一个粲反重子——一个类似于反质子、但包含着一个反粲夸克的粒子，为此，在粒子物理学的历史中，人们郑重地写道："1976年，首次找到了粲夸克的径迹。"粲夸克c正好和奇夸克s配成一对，它们正好与一对儿轻子——μ子和μ中微子相对应，至此，似乎一切都很完美了，但是，就在4种夸克与4种轻子填平补齐之后不久，斯坦福直线加速器中心和劳伦斯伯春利实验室的科学家小组忽然又发现了一种新的轻子，只是相对于电子和μ子而言，它又显得太重了——质量约为电子质量的4000倍，于是，人们只好在"轻"字前面再加上一个"重"字，把这种新轻子叫做"重轻子"，具体地把它们发现的新粒子命名为"t重轻子"，简称t子。就像存在着电子中微子和μ中微子一样，t子和t子中微子也各有自己的反粒子。就这样，轻子家族的成员从4个增加到6个，它们配成彼此非常相似的3对。问题是是否存在着与"t子——t子中微子"相对应的夸克。如果不想放弃夸克与轻子之间的美妙的对称性，那么，就必须承认，应该存在着第5种和第6种夸克。它们相互配对，而且与第3代轻子相对应。1997年7月，在欧洲物理学会举办的"布达佩斯粒子物理讨论会"上，美国哥伦比亚大学的物理学家列昂·莱德曼宣布：他们在费米国家加速器实验室发现了一种新粒子，其质量为j粒子的3倍左右，也就是要比质子重10多倍。无论是莱德曼本人还是听众，都因这项出乎意料的发现兴奋不已。说来也巧，莱德曼的话音刚落，城市突然停电，四周一片漆黑，莱德曼诙谐地说："这可能是上帝给的信号——他认为我们太接近于他的秘密了。"莱德曼在命名他新发现的粒子时，使用了一个很少使用的希腊字母γ，科学家们把新发现的粒子称为底夸克(b夸克)——第5种夸克。
最后的冲刺
莱德曼发现底夸克之后，科学家搜寻的目标便转向了底夸克的配偶——第6种夸克，人们称它为顶夸克(t夸克)。顶夸克比底夸克更重，因而需要更高的能量才可望探测到它。搜索顶夸克的历程远比发现粲夸克和底夸克曲折得多。每年总结当年的科学新进展时，关于寻找顶夸克总是一句话："到目前为止，还没有结果。"1984年7月，情况终于有了转机。在莱比锡召开的第22届高能物理会议上，西欧核子研究中心的一个实验组报导，他们利用对撞机找到了顶夸克的6个实验事例，并确定了顶夸克的质量范围。它的质量大约相当于奇夸克质量的100多倍，或底夸克的10多倍。但是，也是在这次会议上，在同一个对撞机上工作的另一个实验小组却报导说，他们利用类似方法寻找顶夸克，尚未获得肯定的结果。1992年10月，费米实验室对撞机检测器的研究人员发现一个可疑对撞事件的尾迹，似乎发现了顶夸克，但它却又如西方鬼节中的游荡的幽灵，渺然而逝了。1994年4月26日上午，美国费米国家实验室主任约翰·皮普斯宣布：他们可能找到了证实顶夸克存在的证据。对撞机探测器在一年中的实验中，共探测到约1万亿次粒子碰撞事件，并记录下了其中的700万次。他们分析后认为，其中1个事件产生了顶夸克。但是，在同一实验室用d0探测器探测的小组却没有测到顶夸克事件，所以，多数科学家认为，还需要进一步的研究工作（▲注）。其实，费米实验室的科学家们也承认，仅凭这一证据，尚不能作出顶夸克确实存在的定论，还需要收集更多的顶夸克事件，以进一步检验这一成果，参与此实验的科学家们审慎地指出：他们在过去一年半里收集到的证实顶夸克存在的证据，虽足以使许多科学家信服，但仍不能作为最终的结论。领导实验的芝加哥大学物理学家肖切特说："如果有人说：你们干得不错，可是还需要更多的数据才能做出结论，对此我只能表示同意。"另一位费米实验室的高级官员也说："我们并未获得发现，我们只是托到一项证据，这是很好的证据。这项证据与证实顶夸克实际存在密切相关，下一步是要争取在加速器上实现更多的顶夸克事件。"科学家们再接再厉，继续寻找着顶夸克。功夫不负有心人，终于，顶夸克露面了。在费米实验室，物理学家比尔·卡里塞斯和梅尔文·肖切特领导了一个由35所大学和实验室、439名研究人员组成的科研小组，他们利用实验里的加速器进行研究。这是世界上最先进的加速器，周长有6.3公里，使用1000个超导磁铁，能把质子与反质子加速到各具有9000亿电子伏的能量后进行对撞，平均1兆次的对撞可能观察到1次顶夸克。d0探测器犹如一座庞然大物，高13米、长20米、宽12米，重5000吨，如此庞然大物，研究的对象却非常小。1995年3月2日，在美国费米国家实验室威尔逊大楼会议厅里，来自世界各地研究机构及大学的科学家们以及新闻界的1000多人，出席了该实验室举行的学术研讨会暨新闻发布会。费米国家实验室郑重宣布：经过8年的实验工作，他们已发现第6种夸克——顶夸克，从而解开了当今物理界预言的第6种夸克的存在之谜。随后，该实验室的对撞机探测器研究小组和d0探测器研究小组发言人，分别介绍了各自研究发现夸克的实验结果：在过去10个月内，对撞机探测小组共找到了56个顶夸克事例，经过计算，他们得到顶夸克的质量为1760亿电子伏特；d0探测器小组共探测到17个顶夸克事件，他们得到顶夸克的质量为1990亿电子伏特。这两个小组的结果虽然不相同，但在误差范围内两者还是一致的。两个小组用不同的分析方法都找到了顶夸克，而且质量在误差范围内符合，更加强了结果的可靠性。顶夸克的发现绝不意味着研究工作的终止，还有许多有关问题需要解决，将要揭示更多的自然之谜。比如：顶夸克发现之后，物理学家们又开始考虑夸克和轻子是否还会有更深层次的结构。人们或许会问：研究这些微观粒子有什么用处？的确，许多科学家对他们自己的研究工作也说不清，但对于顶夸克的发现，科学家们回答道："这项发现的意义是告诉我们宇宙是可以认识的。"参与这项研究的华裔高能物理学家叶恭平说："宇宙刚开始瞬间，只是基本粒子存在的状态。找到6种夸克等基本粒子，将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段，因此，可以知道宇宙过去到未来的演化过程。"至于这项发现是不是会像发现质子、中子对人类生活产生影响，仍有待观察。不过，类似的粒子物理学基础研究有初步成果发表时，实用价值往往都不明显，但绝对具有极高的学术价值。比如上个世纪建立的电磁理论，当时没有人清楚它的实际用处，而时至今日，我们生活中的电灯、电话、电报、电传、发电机、电动机、收音机、电视机、大哥大、频谱治疗仪，哪一项不来自于历史上无数科学家们艰辛的非功利的基础科学研究呢？著名华裔科学家李政道先生在一次报告中，作了一个非常贴切的比方："基本科学如水；应用科学如鱼；市场经济如鱼市场；要有鱼市场必须有鱼；有鱼必须有水。但有水未必一定有鱼。"是的，应该承认：人类的进步，民族的振兴，永远也离不开那些非功利的、探索性的基础研究工作。
▲注：顶夸克的发现
1995年初，美国费米国家实验室的两组实验cdf和do正式发表文章宣布，他们已观察到了粒子物理学家期待已久的顶夸克。在这之后不久，这个令人振奋的发现连续十多次被美国科学信息研究所出版的《科学观察》期刊列为十大最热门课题之一(即由引用率最高的论文所确定的前沿领域)并被国际合众社评为1995年度的"十大国际科技新闻"。
夸克是目前人类认识到的构成物质的最小量子组元。质子和中子是由两称之为上夸克和下夸克的夸克组成。顶夸克作为粒子物理标准模型预言的第六个基本组元，花费了粒子物理学家近20年时间，并且建造了目前世界上能量最高的超高能质子反质子对撞机，才直接探测到它的存在。顶夸克的发现不仅进一步证实了粒子物理标准模型的预言，也是人类对物质基本组元进行长期不懈探索所取得的又一重大的突破性进展。人类之所以不惜代价来探测物质的基本组元，是因为人类的发展史让我们越来越清楚地看到，探索物质的基本组元以及这些基本组元的运动和相互作用所遵循的规律，实际上一直是作为推动人类文明发展的最主要的动力之一，而且也已成为人类认识世界和改造世界的一个重要途径。从分子到原子，又从原子到核子(质子和中子)，直至夸克。每一次对物质组元更深层次的发现，就会引起一场科技的革命，并带来社会的变革。尤其使人类的思维和认识产生质的飞跃，为人类的精神文明和物质文明建设打下更坚实的基矗就像大家较熟知的：核能，激光，x光技术，半导体材料，超级计算机等。相对论的创立改变了人们对绝对时空观的认识，量子理论的建立又打破了人们对物质性质的经典描述。
顶夸克的发现进一步完善了粒子物理的最小标准模型。这个模型是描述六个夸克和与之对应的六个轻子之间具有的三种基本相互作用力的模型。这六个夸克按其质量从小到大的次序，分别是：上夸克和下夸克、奇异夸克和粲夸克、底夸克和顶夸克，与之相对应的轻子是：电子中微子和电子，μ轻子和μ中微子，t轻子和t中微子。按所谓弱同位旋对称性，又把它们分为三代。第一代由上夸克和下夸克以及电子中微子和电子组成，依次为第二代和第三代。三种基本相互作用力为：1强相互作用力，只有夸克参与，相互作用力由所谓的胶子传递，使夸克之间束缚而形成核子、重子和介子。其中质子由两个上夸克和一个下夸克结合而成，中子由两个下夸克和一个上夸克构成。强相互作用力是由su(3)规范对称性的量子色动力学描述。2电磁相互作用力，所有带电粒子都参与，它由光子传递相互作用。如原子和分子就是通过电磁相互作用力形成的。电磁相互作用由量子电动力学描述。3弱相互作用力，夸克和轻子都参与。它是由质量较重的所谓中间玻色子传递。核辐射衰变就是由弱相互作用力引起的。在标准模型中，电磁相互作用和弱相互作用被统一在一起描述。美国理论物理学家格拉肖和温伯格以及萨拉姆由于对弱电统一模型的贡献而获得1979年的诺贝尔物理奖。正是因为所有夸克和轻子的这些普通适相互作用力，才使得物理学家能够利用稳定的质子和电子以及光子来产生和探测其他基本组元。
显然，因第一代夸克和轻子的质量最轻、它们作为稳定的粒子存在于我们现在生存的宇宙中，并构成我们现在观察到的物质世界，包括我们人类自己。这自然成为粒子物理学家最早发现和认识到的基本粒子。美国理论物理学家gellmann因最早提出夸克理论而获得了1969年的诺贝尔物理奖。
第二代是在70年代通过探测由夸克反夸克组成的介子束缚态，即所谓的j/ψ共振态粒子而发现的。它已成为粒子物理学上的一个惊人发现而载入科学史册。丁肇中和里奇教授因发现粲夸克而获得了诺贝尔物理奖。粲夸克比同代的奇异夸克约重10倍，而比最轻的上夸克重300倍左右。
粲夸克发现后不久，美国费米国家实验就发现了第三代的底夸克，因它的质量比粲夸克质量仅重3倍多。同时斯坦福实验室也发现了相应的t轻子。不久，t中微子也得到了证实。t轻子的质量与粲夸克质量相近，约为电子质量的3600倍。这样第三代就只剩下顶夸克没有被发现。从70年代末，粒子物理学家就开始寻找顶夸克。从前面发现的五个夸克的质量谱，简单地看，质量越重的夸克间，质量比值越校故人们直观地认为，顶夸克的质量大约是底夸克的几倍，即为质子质量的10多倍至30多倍。可是在这些能区的探测都没能得到肯定的结果。为此，美国费米国家实验室专门建立了超高能质子反质子对撞机，其质心能量约为质子质量的1800多倍，直接用来探测顶夸克。因为顶夸克的存在与否，直接关系到我们对夸克层次的物理规律的认识。弱电统一标准模型预言了它的存在(此模型不能预言它的质量)，而标准模型的其他预言得到了越来越多的更精确的实验的证实，尤其欧洲核子中心于1983年直接观察到了此模型预言的中间玻色子，为此，实验物理学家rubia等人获得了诺贝尔物理奖。粒子物理学家坚信标准模型是一个成功的描述夸克和轻子的物理模型。在美国费米国家实验室的超高能对撞机上，建立了两个国际性合作的实验组cdf和do，并独立地进行寻找顶夸克。仅cdf实验组的合作成员就有398人，来自加拿大、美国、中国、意大利和日本五个国家，其中美国国内的成员来自于14个州的34个机构，直到1994年初，cdf实验组首次观察到了顶夸克的直接证据。一年后，cdf和do两个实验组同时宣布，他们通过所谓的"单轻子道"和"双轻子道"的过程直接观察到了顶夸克的存在，并测量出了顶夸克的质量。结果它比同代的底夸克重30多倍。其质量是质子质量的180多倍，出乎人们最初的意料。
顶夸克的发现，无疑使粒子物理学家感到兴奋，同时也令我们整个人类受到鼓舞。它的存在首先是在理论上预言的，对它的探测又经历了这么长的周期，并投入了大量的人力和物力，还需利用最高新的一些科技成果。故寻找顶夸克的过程，同时也推动了高新科技的发展，并发挥了一大批在世界各地的科学家进行超越国界的合作和探索。这是人类对自然界规律认识能力以及科学探索精神的又一次写照。更重要的是：顶夸克的发现又进一步为物理学家探索更基本的理论奠定了新基矗因顶夸克出乎意料的重，它比最轻的上夸克重3万多倍。这启示粒子物理学探讨基本粒子质量的起源和机制。标准模型虽取得了很大的成功，但它含有19个未知参数(质量，耦合常数和混合角)，所有参数的起源都是未知的。故物理学家普遍认为，标准模型不可能是最基本的理论。目前，一个较前沿的方向是所谓的超对称大统一模型。另外，顶夸克与标量粒子的耦合可以变得较强，这样有可能通过研究顶夸克参与的过程来探测基本标量粒子的存在。这将帮助物理学家研究清楚另一个长期以来悬而未决的基本问题，即自然界对称性破缺的机制。自从李政道和杨振宁教授发现宇称不守恒，并得到吴健雄教授等人的实验证实，使得粒子物理学家开始重新认识和探讨时空变换对称性以及物质的其他内部对称性。从此，对称性的研究在粒子物理学中起着越来越重要的作用，如标准模型的建立。李政道和杨振宁教授因发现宇称对称性不守恒，而获得了1957年诺贝尔物理奖。
总之，顶夸克的发现虽完善了粒子物理标准模型，但它并不意味着粒子物理已大功告，相反，它标志着探索更基本理论的开始，如标准模型与引力的统一被认为是本世纪理论物理最重大的课题之一。现在，标准模型将作为探索更基本理论的基础和出发点，来迎接21世纪新的科技革命。
介子与核力
30年代初，虽然科学家已经知道原子核是由质子和中子组成的，但是，却无法解释其中的一些问题。比如：质子都具有正电荷，而正电荷是互相排斥的，它们靠得越近，彼此间互相排斥的力量就越强。在原子核内部，几个、几十个质子紧紧地挤在一起，排斥力极强，但是，原子核并没有因此而分崩离析，这是为什么呢?日本科学家汤川秀树对这个问题考虑了很久，他认为：一定是存在着某种特殊的拉力，使那些质子维系在一起。这种拉力必定很强，它能够克服把质子互相推开的"电磁力"。他又发现：当质子位于原子核外时，它们互相排斥，丝毫没有任何吸引的迹象。也就是说，这种力非常特别，它仅在非常短的距离上起作用。汤川秀树把这种只在原子核内才能觉察到、但又极强的吸引力称为"核力"。1934年，汤川秀树发表了基本粒子相互作用的论文，预言用β粒子轰击某种原子核能产生一种新的粒子，并推测它的质量介于电子和质子之间，称作"介子"。第二年，汤川秀树在对核力进行了深入的研究后宣称：这种核力可能是由原子核内的质子和中子不断交换介子而产生的，质子和中子在来回抛掷介子，当它们近得能抛掷和接住这些介子的时候，它们就能牢牢地维系在一起，一旦中子和质子离得较远，那些介子不再能抵达对方时，核力也就失效了。汤川秀树的理论很好地解释了核力，但是，这种介子是否存在呢？当时谁也说不清楚，如果这种介子根本不存在，那么，汤川秀树的理论也就不成立。刚巧，就在汤川秀树宣布他的理论的时候，在科罗拉多州高高的派克斯峰上研究宇宙线的美国物理学家安德逊，却为汤川秀树的理论提供了证据。安德逊用宇宙线粒子击中空气中的原子，将击出的粒子引入充满湿空气的云室，然后，用照相机拍摄下粒子的径迹进行研究。一天，安德逊从他所拍摄的数以千计的照片中，发现了一些特殊的径迹，其弯曲的方式表明它们比电子重，但又比质子轻。这种现象随后引起了许多科学家的兴趣，经过认真研究，便有人于1936年首先宣布已经发现了汤川秀树所说的介子。但是，好事多磨，以后的研究表明，这种介子比汤川秀树所预言的那种粒子稍微轻了一点儿，在其他方面也与汤川秀树所说的粒子毫不相干。这种较轻的介子被称为"μ介子"(μ子)。虽然不是汤川秀树所说的那种介子，但毕竟发现了新的粒子。科学家们欢欣鼓舞，继续寻找着证据。1947年，英国物理学家鲍威尔在玻利维亚安第斯山上研究着宇宙线。他没有使用云室，而是用一些特殊的照相药品。当亚原子粒子击中它们时，这些物质就会变暗。鲍威尔在研究粒子的径迹时，也发现了一种介子，这种介子比早先发现的那种μ介子重，称为"π介子"(π子)，它恰恰具备汤川秀树预言的那种粒子的性质。这些新的μ子、π子是非常不稳定的粒子，它们形成之后存在不了多长时间，π子大约只能存在一亿分之二点五秒，然后便分裂成较轻的μ子。当它形成时，通常总是以每秒成千上万公里的惊人速度飞驰着，即使在十亿分之一秒钟之内，它也已经飞行了若干厘米，于是，便留下了一条径迹，这种径迹到了末端便变成另一种形式，表明π子已经消失，而由μ子取而代之。μ子持续的时间相对来讲却要长得多，它可持续百万分之几秒钟，然后，分裂而形成电子。电子是稳定的，如果没有外界的影响，它就会永恒不变地存在下去。到40年代末，人们设想的原子核图景似乎已经非常完美，它含有质子和中子，它们由来回飞闪的π子维系在一起，化学家们则弄清了每一种不同原子的质子数和中子数。
有"正"就有"反"
30年代初，英国物理学家狄拉克认为：每一种粒子都应该有一个与之相反的伙伴，称为"反粒子"。按照他的理论，有一个电子就应该有一个"反电子"，"反电子"的质量应该恰恰等于电子的质量，其电荷则正好相反，也就是说，它的电荷不是-1，而是+1。1932年，安德逊在研究宇宙线时，注意到在一张云室照片上有一条径迹，虽然他很容易地认出这是由电子所产生的，但有一件事甚为蹊跷，那就是其弯曲方向错了！这意味着它不是带负电荷，而是带正电荷，这正是狄拉克所说的"反电子"。"反电子"的存在，对狄拉克的理论十分有利。随着时间的流逝，人们发现的反粒子也越来越多。例如，通常的μ子像电子一样，其电荷为-1，人们常称其为负μ子。反μ子除了像正电子一样，具有+1的电荷以外，其他一切方面都恰与μ子相同，所以，人们把它称作正μ子。通常的π子是电荷为+1的正π子，反π子则是电荷为-1的负π子。到40年代末期，看来完全有理由假定，既存在着正常的原子核，它由质子和中子组成，且有正π子在其间往返飞驰，也存在着反原子核，它由反质子和反中子组成，在其间往返不已的则是反π子。但是，探测反质子甚至比探测π子更困难，反质子的质量与质子相同，这意味着它的质量为π子的质量的7倍，产生一个反质子所需集中的能量也将7倍于产生一个π子所需的能量。产生一个π子所需的能量是若干亿电子伏，产生一个反质子就需几十亿电子伏的能量了。为了更好地观察这些高能粒子，1954年3月，在美国加利福尼亚大学建成了一座产生高能粒子的装置。科学家西格雷和张伯仑用它来加速质子，使质子的能量达到60亿电子伏，然后，让它猛然撞到一块铜片上，结果，他们发现产生了介子，相应于每一个可能的反质子就伴有数以千计的介子，不过，介子要比反质子轻得多，运动速度也比反质子快。西格雷小组安装的检测设备能以适当的方式作出反应，从而拣出慢速运动的带负电荷的重粒子。当这种检测装置反应正常时，只有恰恰具备反质子的预期特征的东西才能触发它。到1955年10月，这种检测装置已经触发了60次，这不可能是偶然的事情，所以，反质子必定存在，他们宣布了这一发现。存在着反质子和反中子，但是，它们能结合起来形成一个反核呢？物理学家们认为是能够的，但一直到1965年才找到最终答案。那一年，美国布鲁海文国立实验室的科学家们，用具有70亿电子伏能量的质子轰击铍靶，结果发生了数起反质子与反中子相接触的事件，它们都被检测到了。
"八重法"
1947年，英国物理学家罗彻斯特和巴特勒，在用云室研究宇宙线时，偶然发现了一个奇特的"v"型径迹，似乎是某种中性粒子突然分裂成2个带有一定电荷粒子，分别朝不同的方向匆匆离去。其中一个是π子，另一个则是某种新粒子。根据它留下的径迹的性质来看，其质量似乎为电子的1000倍。科学家们从未想到存在这样的粒子，它使物理学家们大为震惊。起初，除了给它取个名字之外，物理学家们对它全然不知所措，就称它为"v粒子"，而产生这种粒子的碰撞就称为"v事件"。科学家们开始注意了这一事件，不久便发现更多的"v事件"。到1950年，科学家们发现这些"v粒子"实际上似乎比质子或中子还要重。这又是令人震惊的事情，因为物理学家们先前一直理所当然地认为质子和中子乃是质量最大的粒子。物理学家们在惊疑之余便着手研究这些新粒子了。科学家们发现，第一次发现的那个"v粒子"，某些性质与π子十分相似，因此被归入介子一类，被称为k介子(k子)，它共有4种：带正电的k子、带负电的反k子、中性的k子，以及中性的反k子。50年代初，所发现的其他"v粒子"都比质子重，科学家们将它们归为一组而称为超子，它们有许多性质都与质子和中子相似，所以，人们也把它们合在一起统称为重子。1960年以后，由于采用了新的探测装置——"气泡室"，所以又发现了许多新的粒子，数量已超过百种，被称为"共振粒子"。这些新粒子寿命十分短暂，寿命最短的粒子仅为十亿分之一秒钟左右。当共振粒子开始为人所知时，物理学家们便开始越来越认真地考虑解释如此众多的重粒子的方法，他们不明白为什么要有这么多的粒子。越来越多的科学家开始想到，粒子的确切数目也许并不重要，也许粒子是以族的形式存在的，它们应该归并为一些"粒子族"。1961年，美国物理学家盖尔曼和以色列的尼曼各自独立地提出了彼此极其相似的方案，来构成这些粒子族。盖尔曼认真地整理物理学家们所弄清的各种粒子的性质。为了建立一种粒子族的配置方案，盖尔曼需要与8种不同的性质打交道，他诙谐地把自己的体系称为"八重法"——佛教中所说的8种解脱途径。他创造了一个由10个粒子组成的粒子族，设想有一个三角形，其底部有4个物体，在它上面是3个物体，再上面是2个物体，在顶端是唯一的1个物体。底部的4个物体是相互有关的Δ粒子，每一个都比质子重30%左右，它们之间的主要差异在于电荷。这4种Δ粒子所具有的电荷分别为-1、0、+1和+2；在它们之上的3个∑粒子，它们比Δ粒子更重，带有电荷-1、0以及+1；再上面是两个Ξ粒子，它们比∑粒子更重，所带的电荷是-1和0；最后，在这个三角形的顶端是一个最重电荷为-1的粒子，盖尔曼称最后这一种粒子为负Ω粒子，因为Ω是希腊字母表中的最后一个字母，并且这种粒子又带一个负电荷。盖尔曼琢磨着他的设想，忽然发现在这个图形中规律性很强：质量越来越大，粒子数则越来越少；电荷的排列方式同样也很有规律：底层是-1、0、+1、+2，然后是-1、0、+1，再上面一层是-1、0，最后是顶部的-1。其他性质也处处都以有规律的方式变化着，整个事情确实非常干净利索。"这是偶然的吗?"盖尔曼不时地想着这个问题。但是，盖尔曼不明白，在这个粒子族的10个粒子中，当时已知的只有其中的9个，从来也没有人观察到位于这个图形顶端的第10个粒子，即负Ω粒子，如果它不存在的话，那么，这整个图像就垮了。盖尔曼认为：负Ω粒子确实是存在的，如果人们去寻找它，并且确切地知道它们正在寻找的究竟是什么样的东西，那么，他们是能够找到的。盖尔曼的设想公布之后，引起了其他科学家的重视。如果盖尔曼的设想是正确的话，那么，人们只要采取与此设想吻合的各种数值，便能推演出负Ω粒子的全部特征。有些科学家进行了认真的研究，他们发现负Ω粒子有许多不可思议之处：它要适于占据那个三角形的顶端所处的地位，就必须具有很不寻常的奇异数。位于三角形底部的Δ粒子的奇异数为0，其上的∑粒子的奇异数为-1，再上面的Ξ粒子奇异数为-2，因此，顶端的负Ω粒子的奇异数就必须是-3。物理学家们从未遇到过这么大的奇异数，而且，也难以相信一个粒子的奇异数会那么大。物理学家们认为，如果真能产生负Ω粒子，那么要形成这个粒子，必须轰击高能负k子，使之转变成质子。如果一切正常的话，那么偶然发生一次这样的碰撞便会产生一个质子、一个正k子、一个中性k子以及一个负Ω粒子。1963年11月，物理学家们开始使用布鲁克海文的一台庞大的新设备对粒子进行加速，它可以把粒子加速到拥有330亿电子伏的能量，这超过了数年前用来产生反质子的能量的5倍。到1964年1月30日，科学家从拍摄到的5万张照片中还没有发现任何异常的事件，但到31日，出现了一张照片，在这张照片上有一系列径迹，似乎表明产生了一个负Ω粒子，它继而又分裂成其他粒子，如果往回追溯某些容易识别的已知粒子，并算出它们必定是由哪几种粒子变来的，然后再继续追溯后者的由来的话，那么，最后就会遇到一个存在时间极其短暂的负Ω粒子。几个星期之后，另一张照片呈现出一组不同的径迹，追溯到最后，也是一个Ω粒子。也就是说，人们探测到了一个粒子，它以两种不同的方式分裂，对负Ω粒子而言，如果它恰恰具有盖尔曼所预言的性质，那么这两种分裂方式都是可能的。从那以后，人们又探测到许多负Ω粒子，它们全部具有恰如盖尔曼预言的那些性质。至此，科学家已经知道，负Ω粒子之所以在过去没有测到它，是因为它极难形成，而且存在时间又如此短暂。
新颖的夸克模型
盖尔曼在研究他的粒子族方案时发现，它们是由更深层次的3种组元构成的，因为每一种不同的重子都需要3个这样的粒子。1963年，他决定为他提出的粒子命名，但叫什么好呢?他偶然想起了詹姆斯·乔伊斯所写的《芬尼根斯·威克》中的一句话："三个夸克原顶得上一个马克"。于是，他就把这些粒子称做"夸克"。盖尔曼最初提出的那3种夸克，分别称为上夸克(u)、下夸克(d)和奇夸克(s)。上夸克所具有的电荷是+2/3，下夸克和奇夸克均为-1/3，它们各有自己的反粒子——反夸克。正、反夸克所带的电荷正好相反，所有的重子都由3个夸克构成。例如：质子由2个上夸克、1个下夸克组成(uud)，中子由1个上夸克、2个下夸克组成(udd)。其他重子也与此类似，例如正∑子是由2个上夸克和1个奇夸克构成(uus)，负子是由3个奇夸克构成(sss)。所有的介子都由一个夸克和一个反夸克构成，例如正k介子是由1个上夸克和1个反奇夸克构成，负π介子是由1个下夸克和1个反上夸克构成。至此，可以说是一切如意，所有已知的强子都可以用区区几种夸克构成：整个宇宙由两类"建筑材料"构成，一类是轻子，一类是夸克。这3种夸克加上已知的4种轻子，便成为构成世界万物的本原。如果夸克适用于盖尔曼所设计的方案，那么，它们就必须具有某些非常奇特的性质，而最奇特之处，当推它们必须具有分数电荷。最初发现电子时，为了方便起见，人们就把它的电荷定为-1，以后新发现的所有粒子如果带电就是恰恰等于电子电荷，或者恰恰等于电子电荷的整数倍，从来没有发现过分数电荷。对于正电荷也是如此。但是，夸克却不同了，它所带的电荷是-1／3和+2／3。盖尔曼提出夸克模型后，科学家们召开了一次国际学术会议，有人曾经当面向他提问："夸克是否当真存在?"盖尔曼的回答极为简练："谁知道呢?"对于盖尔曼的回答，著名的前苏联理论物理学家和天体物理学家泽尔多维奇作了这样的评价："恐怕需要另一支笔——作家的笔，才能表现出他这句简短的话中的全部含义。这里包含着对实验的巨大尊重，因为归根到底要靠实验来解决科学问题并推动科学前进。这里表现出盖尔曼精神上素有的勇气、对新事物的敏感，也表现出他的求实精神。他准备接受自然界给予的一切，并以此来创造新理论，继续导致新的实验。"为了检验盖尔曼所提出的设想，科学家们进行了不懈的努力。按照盖尔曼的理论，如果要打碎1个质子或打碎别的粒子，以形成1个夸克，那么，就可提供当初由夸克释放出来的全部能量，必须提供足以形成30倍于质子质量的一群粒子，所需的能量至少要比50年代产生质子和反质子时的能量大15倍。为了使粒子获得巨额的能量，人们采取的办法就是将粒子的运动速度加至极快。1967年，前苏联建成一台760亿电子伏的强聚焦质子同步加速器；1976年，西欧核子研究中心建成一台4000亿电子伏的加速器，……尽管新的加速器所提供的能量越来越高，但是，打碎质子或其他粒子，捕捉由此产生的夸克，却总是得出否定的结果。到70年代，人们只有几次勉强地宣布，似乎"看见"了夸克的影子。1974年8月，美籍华裔物理学家丁肇中，率领一个科学家小组，用布鲁克海文的那台330亿电子伏的加速器进行实验，发现了一个新粒子。同年11月，他们宣布了这一发现，并将它命名为"j粒子"。几乎与此同时，在斯坦福大学直线加速器中心，以美国物理学家里希特为首的另一组高能物理工作者，也独立地发现了这种粒子，并将它取名为ψ粒子。不久，在意大利和联邦德国的加速器中也相继观察到这种粒子。新粒子的奇特性质又引起了很大的震动，人们对粒子进行分类时，无法确定它的归属，它是一种玻色子，其自旋是整数，但是它的质量很大，所以决不是光子，而像是一种强子，它的质量达质子质量的3倍半。通常，质量这么大的强子寿命都极短，但是j粒子的寿命却比质量与之相近的那些强子要长1000倍，这标志着它与先前已知的粒子有着原则性的差别。人们把j粒子称做粲夸克(c夸克)。它的反粒子称为反c夸克。j粒子发现以后，人们继续致力于证实粲夸克存在的各项预言。在布鲁克海文、欧洲核子研究中心和费米实验室的气泡室实验中，曾经不断地获得可能是粲粒子的痕迹。1976年下半年，美国的一些物理学家用4000亿电子伏的高能质子打靶，在由此产生的许多事例中，又发现了一个新粒子，它的行为完全符合粲粒子应该具备的特征，它是第一个粲反重子——一个类似于反质子、但包含着一个反粲夸克的粒子，为此，在粒子物理学的历史中，人们郑重地写道："1976年，首次找到了粲夸克的径迹。"粲夸克c正好和奇夸克s配成一对，它们正好与一对儿轻子——μ子和μ中微子相对应，至此，似乎一切都很完美了，但是，就在4种夸克与4种轻子填平补齐之后不久，斯坦福直线加速器中心和劳伦斯伯春利实验室的科学家小组忽然又发现了一种新的轻子，只是相对于电子和μ子而言，它又显得太重了——质量约为电子质量的4000倍，于是，人们只好在"轻"字前面再加上一个"重"字，把这种新轻子叫做"重轻子"，具体地把它们发现的新粒子命名为"t重轻子"，简称t子。就像存在着电子中微子和μ中微子一样，t子和t子中微子也各有自己的反粒子。就这样，轻子家族的成员从4个增加到6个，它们配成彼此非常相似的3对。问题是是否存在着与"t子——t子中微子"相对应的夸克。如果不想放弃夸克与轻子之间的美妙的对称性，那么，就必须承认，应该存在着第5种和第6种夸克。它们相互配对，而且与第3代轻子相对应。1997年7月，在欧洲物理学会举办的"布达佩斯粒子物理讨论会"上，美国哥伦比亚大学的物理学家列昂·莱德曼宣布：他们在费米国家加速器实验室发现了一种新粒子，其质量为j粒子的3倍左右，也就是要比质子重10多倍。无论是莱德曼本人还是听众，都因这项出乎意料的发现兴奋不已。说来也巧，莱德曼的话音刚落，城市突然停电，四周一片漆黑，莱德曼诙谐地说："这可能是上帝给的信号——他认为我们太接近于他的秘密了。"莱德曼在命名他新发现的粒子时，使用了一个很少使用的希腊字母γ，科学家们把新发现的粒子称为底夸克(b夸克)——第5种夸克。
最后的冲刺
莱德曼发现底夸克之后，科学家搜寻的目标便转向了底夸克的配偶——第6种夸克，人们称它为顶夸克(t夸克)。顶夸克比底夸克更重，因而需要更高的能量才可望探测到它。搜索顶夸克的历程远比发现粲夸克和底夸克曲折得多。每年总结当年的科学新进展时，关于寻找顶夸克总是一句话："到目前为止，还没有结果。"1984年7月，情况终于有了转机。在莱比锡召开的第22届高能物理会议上，西欧核子研究中心的一个实验组报导，他们利用对撞机找到了顶夸克的6个实验事例，并确定了顶夸克的质量范围。它的质量大约相当于奇夸克质量的100多倍，或底夸克的10多倍。但是，也是在这次会议上，在同一个对撞机上工作的另一个实验小组却报导说，他们利用类似方法寻找顶夸克，尚未获得肯定的结果。1992年10月，费米实验室对撞机检测器的研究人员发现一个可疑对撞事件的尾迹，似乎发现了顶夸克，但它却又如西方鬼节中的游荡的幽灵，渺然而逝了。1994年4月26日上午，美国费米国家实验室主任约翰·皮普斯宣布：他们可能找到了证实顶夸克存在的证据。对撞机探测器在一年中的实验中，共探测到约1万亿次粒子碰撞事件，并记录下了其中的700万次。他们分析后认为，其中1个事件产生了顶夸克。但是，在同一实验室用d0探测器探测的小组却没有测到顶夸克事件，所以，多数科学家认为，还需要进一步的研究工作（▲注）。其实，费米实验室的科学家们也承认，仅凭这一证据，尚不能作出顶夸克确实存在的定论，还需要收集更多的顶夸克事件，以进一步检验这一成果，参与此实验的科学家们审慎地指出：他们在过去一年半里收集到的证实顶夸克存在的证据，虽足以使许多科学家信服，但仍不能作为最终的结论。领导实验的芝加哥大学物理学家肖切特说："如果有人说：你们干得不错，可是还需要更多的数据才能做出结论，对此我只能表示同意。"另一位费米实验室的高级官员也说："我们并未获得发现，我们只是托到一项证据，这是很好的证据。这项证据与证实顶夸克实际存在密切相关，下一步是要争取在加速器上实现更多的顶夸克事件。"科学家们再接再厉，继续寻找着顶夸克。功夫不负有心人，终于，顶夸克露面了。在费米实验室，物理学家比尔·卡里塞斯和梅尔文·肖切特领导了一个由35所大学和实验室、439名研究人员组成的科研小组，他们利用实验里的加速器进行研究。这是世界上最先进的加速器，周长有6.3公里，使用1000个超导磁铁，能把质子与反质子加速到各具有9000亿电子伏的能量后进行对撞，平均1兆次的对撞可能观察到1次顶夸克。d0探测器犹如一座庞然大物，高13米、长20米、宽12米，重5000吨，如此庞然大物，研究的对象却非常小。1995年3月2日，在美国费米国家实验室威尔逊大楼会议厅里，来自世界各地研究机构及大学的科学家们以及新闻界的1000多人，出席了该实验室举行的学术研讨会暨新闻发布会。费米国家实验室郑重宣布：经过8年的实验工作，他们已发现第6种夸克——顶夸克，从而解开了当今物理界预言的第6种夸克的存在之谜。随后，该实验室的对撞机探测器研究小组和d0探测器研究小组发言人，分别介绍了各自研究发现夸克的实验结果：在过去10个月内，对撞机探测小组共找到了56个顶夸克事例，经过计算，他们得到顶夸克的质量为1760亿电子伏特；d0探测器小组共探测到17个顶夸克事件，他们得到顶夸克的质量为1990亿电子伏特。这两个小组的结果虽然不相同，但在误差范围内两者还是一致的。两个小组用不同的分析方法都找到了顶夸克，而且质量在误差范围内符合，更加强了结果的可靠性。顶夸克的发现绝不意味着研究工作的终止，还有许多有关问题需要解决，将要揭示更多的自然之谜。比如：顶夸克发现之后，物理学家们又开始考虑夸克和轻子是否还会有更深层次的结构。人们或许会问：研究这些微观粒子有什么用处？的确，许多科学家对他们自己的研究工作也说不清，但对于顶夸克的发现，科学家们回答道："这项发现的意义是告诉我们宇宙是可以认识的。"参与这项研究的华裔高能物理学家叶恭平说："宇宙刚开始瞬间，只是基本粒子存在的状态。找到6种夸克等基本粒子，将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段，因此，可以知道宇宙过去到未来的演化过程。"至于这项发现是不是会像发现质子、中子对人类生活产生影响，仍有待观察。不过，类似的粒子物理学基础研究有初步成果发表时，实用价值往往都不明显，但绝对具有极高的学术价值。比如上个世纪建立的电磁理论，当时没有人清楚它的实际用处，而时至今日，我们生活中的电灯、电话、电报、电传、发电机、电动机、收音机、电视机、大哥大、频谱治疗仪，哪一项不来自于历史上无数科学家们艰辛的非功利的基础科学研究呢？著名华裔科学家李政道先生在一次报告中，作了一个非常贴切的比方："基本科学如水；应用科学如鱼；市场经济如鱼市场；要有鱼市场必须有鱼；有鱼必须有水。但有水未必一定有鱼。"是的，应该承认：人类的进步，民族的振兴，永远也离不开那些非功利的、探索性的基础研究工作。
▲注：顶夸克的发现
1995年初，美国费米国家实验室的两组实验cdf和do正式发表文章宣布，他们已观察到了粒子物理学家期待已久的顶夸克。在这之后不久，这个令人振奋的发现连续十多次被美国科学信息研究所出版的《科学观察》期刊列为十大最热门课题之一(即由引用率最高的论文所确定的前沿领域)并被国际合众社评为1995年度的"十大国际科技新闻"。
夸克是目前人类认识到的构成物质的最小量子组元。质子和中子是由两称之为上夸克和下夸克的夸克组成。顶夸克作为粒子物理标准模型预言的第六个基本组元，花费了粒子物理学家近20年时间，并且建造了目前世界上能量最高的超高能质子反质子对撞机，才直接探测到它的存在。顶夸克的发现不仅进一步证实了粒子物理标准模型的预言，也是人类对物质基本组元进行长期不懈探索所取得的又一重大的突破性进展。人类之所以不惜代价来探测物质的基本组元，是因为人类的发展史让我们越来越清楚地看到，探索物质的基本组元以及这些基本组元的运动和相互作用所遵循的规律，实际上一直是作为推动人类文明发展的最主要的动力之一，而且也已成为人类认识世界和改造世界的一个重要途径。从分子到原子，又从原子到核子(质子和中子)，直至夸克。每一次对物质组元更深层次的发现，就会引起一场科技的革命，并带来社会的变革。尤其使人类的思维和认识产生质的飞跃，为人类的精神文明和物质文明建设打下更坚实的基矗就像大家较熟知的：核能，激光，x光技术，半导体材料，超级计算机等。相对论的创立改变了人们对绝对时空观的认识，量子理论的建立又打破了人们对物质性质的经典描述。
顶夸克的发现进一步完善了粒子物理的最小标准模型。这个模型是描述六个夸克和与之对应的六个轻子之间具有的三种基本相互作用力的模型。这六个夸克按其质量从小到大的次序，分别是：上夸克和下夸克、奇异夸克和粲夸克、底夸克和顶夸克，与之相对应的轻子是：电子中微子和电子，μ轻子和μ中微子，t轻子和t中微子。按所谓弱同位旋对称性，又把它们分为三代。第一代由上夸克和下夸克以及电子中微子和电子组成，依次为第二代和第三代。三种基本相互作用力为：1强相互作用力，只有夸克参与，相互作用力由所谓的胶子传递，使夸克之间束缚而形成核子、重子和介子。其中质子由两个上夸克和一个下夸克结合而成，中子由两个下夸克和一个上夸克构成。强相互作用力是由su(3)规范对称性的量子色动力学描述。2电磁相互作用力，所有带电粒子都参与，它由光子传递相互作用。如原子和分子就是通过电磁相互作用力形成的。电磁相互作用由量子电动力学描述。3弱相互作用力，夸克和轻子都参与。它是由质量较重的所谓中间玻色子传递。核辐射衰变就是由弱相互作用力引起的。在标准模型中，电磁相互作用和弱相互作用被统一在一起描述。美国理论物理学家格拉肖和温伯格以及萨拉姆由于对弱电统一模型的贡献而获得1979年的诺贝尔物理奖。正是因为所有夸克和轻子的这些普通适相互作用力，才使得物理学家能够利用稳定的质子和电子以及光子来产生和探测其他基本组元。
显然，因第一代夸克和轻子的质量最轻、它们作为稳定的粒子存在于我们现在生存的宇宙中，并构成我们现在观察到的物质世界，包括我们人类自己。这自然成为粒子物理学家最早发现和认识到的基本粒子。美国理论物理学家gellmann因最早提出夸克理论而获得了1969年的诺贝尔物理奖。
第二代是在70年代通过探测由夸克反夸克组成的介子束缚态，即所谓的j/ψ共振态粒子而发现的。它已成为粒子物理学上的一个惊人发现而载入科学史册。丁肇中和里奇教授因发现粲夸克而获得了诺贝尔物理奖。粲夸克比同代的奇异夸克约重10倍，而比最轻的上夸克重300倍左右。
粲夸克发现后不久，美国费米国家实验就发现了第三代的底夸克，因它的质量比粲夸克质量仅重3倍多。同时斯坦福实验室也发现了相应的t轻子。不久，t中微子也得到了证实。t轻子的质量与粲夸克质量相近，约为电子质量的3600倍。这样第三代就只剩下顶夸克没有被发现。从70年代末，粒子物理学家就开始寻找顶夸克。从前面发现的五个夸克的质量谱，简单地看，质量越重的夸克间，质量比值越校故人们直观地认为，顶夸克的质量大约是底夸克的几倍，即为质子质量的10多倍至30多倍。可是在这些能区的探测都没能得到肯定的结果。为此，美国费米国家实验室专门建立了超高能质子反质子对撞机，其质心能量约为质子质量的1800多倍，直接用来探测顶夸克。因为顶夸克的存在与否，直接关系到我们对夸克层次的物理规律的认识。弱电统一标准模型预言了它的存在(此模型不能预言它的质量)，而标准模型的其他预言得到了越来越多的更精确的实验的证实，尤其欧洲核子中心于1983年直接观察到了此模型预言的中间玻色子，为此，实验物理学家rubia等人获得了诺贝尔物理奖。粒子物理学家坚信标准模型是一个成功的描述夸克和轻子的物理模型。在美国费米国家实验室的超高能对撞机上，建立了两个国际性合作的实验组cdf和do，并独立地进行寻找顶夸克。仅cdf实验组的合作成员就有398人，来自加拿大、美国、中国、意大利和日本五个国家，其中美国国内的成员来自于14个州的34个机构，直到1994年初，cdf实验组首次观察到了顶夸克的直接证据。一年后，cdf和do两个实验组同时宣布，他们通过所谓的"单轻子道"和"双轻子道"的过程直接观察到了顶夸克的存在，并测量出了顶夸克的质量。结果它比同代的底夸克重30多倍。其质量是质子质量的180多倍，出乎人们最初的意料。
顶夸克的发现，无疑使粒子物理学家感到兴奋，同时也令我们整个人类受到鼓舞。它的存在首先是在理论上预言的，对它的探测又经历了这么长的周期，并投入了大量的人力和物力，还需利用最高新的一些科技成果。故寻找顶夸克的过程，同时也推动了高新科技的发展，并发挥了一大批在世界各地的科学家进行超越国界的合作和探索。这是人类对自然界规律认识能力以及科学探索精神的又一次写照。更重要的是：顶夸克的发现又进一步为物理学家探索更基本的理论奠定了新基矗因顶夸克出乎意料的重，它比最轻的上夸克重3万多倍。这启示粒子物理学探讨基本粒子质量的起源和机制。标准模型虽取得了很大的成功，但它含有19个未知参数(质量，耦合常数和混合角)，所有参数的起源都是未知的。故物理学家普遍认为，标准模型不可能是最基本的理论。目前，一个较前沿的方向是所谓的超对称大统一模型。另外，顶夸克与标量粒子的耦合可以变得较强，这样有可能通过研究顶夸克参与的过程来探测基本标量粒子的存在。这将帮助物理学家研究清楚另一个长期以来悬而未决的基本问题，即自然界对称性破缺的机制。自从李政道和杨振宁教授发现宇称不守恒，并得到吴健雄教授等人的实验证实，使得粒子物理学家开始重新认识和探讨时空变换对称性以及物质的其他内部对称性。从此，对称性的研究在粒子物理学中起着越来越重要的作用，如标准模型的建立。李政道和杨振宁教授因发现宇称对称性不守恒，而获得了1957年诺贝尔物理奖。
总之，顶夸克的发现虽完善了粒子物理标准模型，但它并不意味着粒子物理已大功告，相反，它标志着探索更基本理论的开始，如标准模型与引力的统一被认为是本世纪理论物理最重大的课题之一。现在，标准模型将作为探索更基本理论的基础和出发点，来迎接21世纪新的科技革命。