諾貝爾物理學獎得主丁肇中教授
探索物質的終極結構
(作者：香港中文大學物理系朱明中教授)

在物質世界千變萬化的表象背後，是否存在不變的基本規律？各種各樣的物質是否有共通之處？物質的終極結構又究竟是甚麼呢？自古以來，人類不斷追索這些問題的答案。例如佛家與亞里士多德（Aristotle），都相信所有物質皆由氣、火、水、土（即四大）和合而成。古希臘哲學家德謨克列特（Democritus）則提出原子論（atomic theory），認為萬物由不可分割的原子組成。及至近代，探索物質的結構及規律，已經成為物理學的中心議題之一。有關範疇在上世紀取得的突破性發展，對現代科技文化影響深遠，更可說是人類文明的重要成就，而丁肇中教授便是當中偉大的探索者之一。他發現了「粲夸克」（charm quark，或譯作「魅夸克」），這貢獻在粒子物理學裡佔有承先啟後的地位。

究竟「粲夸克」是甚麼？它又有何重要呢？讓我們回到原子論說起。沒錯，萬物皆由原子組成，但現代科學的原子，並不等同德謨克列特的「原子」。科學家很久以前便發現，原子雖然只有納米大小（一納米為一千萬份之一公分），卻仍可以分拆為電子（electron）及原子核（atomic nucleus）兩部份。

盧瑟福（Rutherford）是第一個「看見」原子結構的人。他用一束高速度的粒子撞擊一片很薄的金箔。他驚訝地發現竟然有一小部份的粒子，在金箔裡撞上非常堅固的東西後倒射回來。「．．．這就像用十五吋砲彈轟擊一張衛生紙，卻竟被反彈回來！」盧瑟福因此推測原子內大部份物質皆集中於很細小的空間內，稱為原子核。而在原子核以外的空間則由電子佔據。這個今天連中學生也懂得的原子模型可說是大致正確的。

既然原子可分割，它便不是最基本的「原子」了。那麼電子及原子核是否還有結構？盧瑟福重施故技，用更高能量的粒子撞擊原子核，發現可以釋出一種帶正電荷的粒子，稱為質子，證明原子核亦有結構。他的學生查德威（Chadwick）亦以類似實驗發現原子核內另一種不帶電荷的粒子──中子。中子的發現，直接引發原子核分裂的研究，催生了原子彈及核能技術。這不單是科學的突破，同時亦改變了世界。

物理學家當然要進一步追問質子及中子（統稱為核粒子）的「內涵」。核粒子直徑只約為百萬分之一納米，要把它爆破，需要用更高能量的「子彈」。大約四十年前，以費德曼（Friedman）、肯道（Kendall）及泰勒（Taylor）為首的研究組利用史丹福線性加速器，把電子加速至非常接近光速，再用這些電子轟擊核粒子，而三人更因這實驗贏得一九九零年的諾貝爾物理學獎。當時很多物理學家都以為這樣高能量的電子應能穿透核粒子。然而結果卻出人意表：縱使是最高能量的電子仍有小部份被大角度反射，情形就跟盧瑟福的實驗一樣。物理學家很快便得出結論：核粒子內有極細小而堅硬的粒子，而它們的性質與吉曼教授（Gell-Mann）及他的學生滋威（Zweig）於一九六四年提出的夸克（quark）相若，因此我們相信核粒子是由夸克所組成。

夸克的發現，有著劃時代的意義。當時物理學家知道除了電子、中子及質子外，還有上百種只維持極短暫壽命的粒子，故此很難從這一大堆粒子中整理出頭緒來。吉曼教授指出，它們其實只是幾種夸克的不同組合而已。他的夸克模型，成功地解釋了眾多的粒子現象，把對物質結構的理解，推向更深的層次。然而問題又來了，究竟有幾多種夸克？

根據吉曼的夸克模型，質子和中子皆由兩種夸克組成，稱為「上」（up）、「下」（down）夸克。另外也有一些粒子如K粒子，包含第三種夸克──「奇異」（strange）。在一九七零年以前知道的粒子，絕大部份都可以理解為這三種夸克的不同組合。但到了後來，夸克模型逐漸顯得不足以解釋新的實驗數據。例如稱為K0L粒子的衰變，用夸克模型計算的半衰期比實驗測度到的要長得多。格雷修（Glashow）、李爾普羅斯（Iliopoulos）和邁阿寧（Maiani）於一九七零年指出需要第四種夸克才可解釋理論與實驗間的差異。他們稱這種新夸克為「粲」。但新夸克的存在，需要證據的支持！

一九七四年，由丁肇中教授及雷克特教授（Richter）帶領的兩個研究小組獨立地發現第一顆粲夸克組成的粒子，分別被他們稱為「J粒子」和「Ψ粒子」，而二人亦因此分享一九七六年的諾貝爾物理學獎。這粒子的壽命非常短暫，只有約一萬億億份之一秒！要找尋這樣一種粒子當然是非常困難的。丁教授的方法是測量J粒子衰變後產生的一粒電子及它的反粒子（物理學家發現自然界每一種粒子都有相對應的反粒子。反粒子統稱為反物質，它們的性質和物質幾乎完全一樣，除了有一些物理量剛好相反。例如電子帶負電荷，它的反粒子卻帶正電荷，質量完全相同，所以稱為正電子。）。若果在某個特定能量觀測到大量的電子／正電子對，便可以間接得知J粒子的存在及其質量了（圖一）。

圖一：丁肇中教授發現J粒子的實驗示意圖。他用高能質子撞擊鈹核子（Be）產生J粒子，J粒子很快衰變成電子／正電子對。他透過測量電子／正電子對的能量，從而推斷J粒子的存在與質量。

「粲夸克」的發現，揭開了粒子物理新的一頁。物理學家隨後亦引入第五及第六種夸克──「底」（bottom）及「頂」（top），並確立粒子物理學的標準模型。我在唸大學時曾聽一位本身亦是粒子物理學界很有名的教授說，丁肇中教授本來很早，甚至比雷克特還早便已發現J粒子，但因他做研究極之謹慎，不斷反覆查證才遲遲未發表結果。

回到文章開首的問題：物質的終極結構是甚麼？今天的答案是：萬物基本上由電子及夸克組成。直至今天，科學家仍未找到夸克和電子有任何內部結構的跡象，因此相信它們都是基本粒子（除了電子和夸克，基本粒子還包括中微子。我自己及一班中大物理系的同學，亦參加了一個國際合作的中微子研究計劃），相當於德謨克列特的「原子」。然而，物理學家都相信這不過是個臨時的答案。我們對於這些「原子」，仍有很多疑問待解，例如為甚麼自然界沒有自由的夸克，粒子的質量從何而來等。所以，探索物質的本質仍將繼續是我們努力不懈的研究方向。