36. 有比夸克更小的粒子吗?

Are there smaller building blocks than quarks?

有一个直观的问题：如果我们能将一个物体对半分割，那我们能不能这样无限制地分割下去？我国古代《庄子 天下篇》一书中就有：“一尺之捶，日取其半，万世不竭“的论述。

图1 中国古代哲学家庄子

问题用现代的逻辑思维数学来表述就是：一个序列1，1/2，1/4，1/8......的极限是什么？显然数学给出的答案是：0，也就是说1可以无限分割，最后的结果是0，物理上就等于空无。根据数学的结论：世界上的万物1可以无限分割，最后的结果就是0空无。面对这个结论，我想没有几个人会选择相信数学的答案。

图2 数列的极限

然而物理上研究物质结构的粒子加速器，就是按照分割这个逻辑进行，所以粒子物理分割到现在的一个基本问题是：有比夸克更小的构成物质的粒子吗？然而问题的最终答案还是来自于数学：弦。而物理学家的目标就是需要给这个数学结果一个物理上可以接受的理解和解释，以及给出一个实验上确切的证据去支持这种理解和解释。那么下面我们就来讨论这个问题。

最早古希腊的哲学家德谟克里特提出了原子概念，而原子的结构1911年被卢瑟福的散射实验所确定，也就是原子并非是不可分割的，它由更小的原子核和电子组成。原子的结构后来被各种其他证据所证实，1982年，人类也第一次利用扫描隧道显微镜看到了原子。

图3 原子的结构

原子的结构被确定之后，人们很快又发现了原子核的衰变现象，1932年查德威克发现了从原子核中跑出来的中子，于是人们最后确认了原子核是由质子和中子两种更小的粒子组成。

于是，质子和中子甚至最早被发现的电子是否依然可以被分割的问题又出现了。1968年，斯坦福线性加速中心，科学家利用深度非弹性散射实验发现：质子内部具有不均匀的点状结构分布，这些点状物质就被命名为夸克。于是有人认为只要夸克可以被观测到，那夸克当然也可以被分割为更小的粒子，所以人们把组成夸克的更小的粒子称为前子或先子（preon）。

图4 质子内部的夸克结构

然而事情到了这个地步分割似乎已经走到了物质结构的尽头，因为游离态的夸克根本就没找到，也就是你似乎无法将质子里的夸克从质子中分离出来，通俗地讲就是你无法将质子继续分割！既然独立的夸克都找不到，那所谓的前子或先子就更是个笑话了。于是这条分割的道路走到了死胡同，但这个问题却依然存在，那就是还有没有比夸克更基本的粒子？

数学物理学家说：有。现在的物理大统一理论给出的答案是：弦（String）。

那弦到底是什么？目前来看弦只是一个模型和概念，而并不是实体，因为它的存在现在还缺少实验的确切支持。目前的弦是指在普朗克尺度内一种多维度的可以振动的东西，开始的弦可以想象成是一维振动的线段或闭合的环，后来为了解释更多的事实引入的超弦成了在高维上振动的东西，如二维振动的面、三维呼吸的体、高维如10维振动的超体。

图5 弦的示意图

从目前对各种维度超弦的匪夷所思的论述来看，的确弦只是个美好的数学模型，说它是构成夸克或任何万物的最基本粒子，咋听起来就像科幻小说一样离奇。有些人也因此认为现代物理偏离传统物理走得太远而愤怒地把与弦相关的物理理论称为玄学或伪科学。

然而超弦理论的背后却是严格漂亮的数学，如果你认为宇宙是数学的，那超弦是构成万物的基本粒子这个说法就是：“它太漂亮了，不可能不是真的”。所以“弦”就如同数学界的一个猜想，在它还没有被证明之前你是没有理由说那是错误的！