這盤缈子是誰點的？——基本粒子與佛學及文學的牽扯：夸克的故事【張嘉泓｜物理好好玩S1EP11】

EP11｜這盤缈子是誰點的？——基本粒子與佛學及文學的牽扯：夸克的故事

在這個節目上，跟大家聊了近一年的物理，這還是第一次完整揭露：我個人的專業是理論基本粒子物理。這是延續原子、電子的發現，繼續追究物質組成成分的努力。粒子物理研究者有一個獨享、專屬的小物，這是一本物理小手冊，長得有點像毛語錄那樣，讓物理學家攜帶方便。我還記得當年念研究所時，看到老師、學長隨身帶著，討論到一半就拿出來查閱，實在很酷。等到我第一次拿到自己的那一本，感覺好像我終於真的成了這幫派的一份子。

小手冊裡面列出了基本粒子的性質，比如翻到第十六頁，我就可以找到電子。電子的質量是原子的萬分之一，平均壽命是〔10的28次方〕年。這麼長的壽命，是超過宇宙的年紀，因此我們就說它是穩定的。但不是所有基本粒子都是穩定的，在電子的正下方，它的好兄弟：緲子，壽命就只有〔10的-6次方〕秒，意思是每百萬分之一秒，這顆緲子就有一半機會會衰變。

衰變聽起來很像慢慢地變老，在這裡的意思，就是緲子消失、變化為別的基本粒子，我覺得比較像佛家的轉世。在小手冊內緲子這一欄，接下來就列出緲子所有可能的衰變產物。最可能的是衰變為電子加上兩顆微中子，機會幾乎是100%。但還是有萬分之一的機會，可以衰變為兩顆電子加上一顆正子再加上兩顆微中子。

自然界並沒有緲子，但緲子卻會從天而降

細心的聽眾可能會開始感覺狐疑，如果緲子壽命就只有百萬分之一秒，那就算曾經出現，也早就滅絕了，不是嗎？的確，所以雖然電子到處都有，而且是構成物質的基本成分，自然界並沒有緲子。但緲子卻會從天而降，原來是宇宙射線撞擊大氣層上空的氣體原子所產生，在1937年被發現。宇宙射線是由高速質子組成，來源至今不明。質子撞擊後，根據相對論最有名的公式：E=〔mc的2次方〕，能量可以轉化為質量，就產生了緲子；質量是電子的兩百倍，但只有質子的十分之一。而這個現象啟發了科學家：質子或電子，在高速撞擊時會產生新的基本粒子，這就成了所有粒子實驗的原型。

但沒事為什麼要去撞出一個平常不存在的新粒子呢？當然你可以學登山者的名言，爬高山是因為山在那裡。物理學家也可以說：花大錢撞出新粒子，因為它們是可以存在的。但緲子的出現非常突兀，這也是真的。有一位大師就模仿餐廳裡，大夥兒聚餐點菜的對話，開玩笑說：「這盤緲子是誰點的？」在自然世界，只要有質子與中子組成原子核，外面再配上電子形成各式原子，就能組成所有物質。質子、中子及電子就被稱為宇宙的基本組成成分，而且每一顆電子都完全一樣，每一顆質子也完全一樣，不會有個別差異。所以只要三種的基本粒子，就能解釋宇宙所有現象，這實在是非常戲劇性的簡單化，比我們熟悉的金、木、水、火、土五行還厲害。現在，憑空又多冒出了緲子，看起來，真的是多點的。

粒子動物園

既然點了就得吃，粒子出現了就得研究。就在此時，偏偏物理學家還真的發明了辦法，來製造出一大堆基本粒子。物理學家開始建造粒子的加速器，加速電子或質子到非常高的能量，一開始是撞擊固定的靶，技術夠了就開始讓高速粒子對撞。你就想像兩顆子彈對撞，大概就是這樣的情況。在50年代，大約數十個基本粒子被發現，到了60年代，數字就來到成百成千。這些粒子基本上都如緲子是會衰變的，壽命甚至更短，所以在自然界是不存在的。但你要說它們是人造的好像也不太對，因為只要能量夠高，它們自然就會產生，只是很快就衰變了。

當然最離譜的是數量，開頭提到的粒子物理小手冊，事實上是另一本如電話簿般的基本粒子物理綜述的濃縮本，這本大部頭列出了所有基本粒子，以及它們的性質。它需要像大辭典一樣的篇幅，才能容納。著名的物理學家費米說：「粒子一個一個出現，越來越難感覺它們很基本。早知道研究基本粒子這麼麻煩，當初乾脆就做植物學家不就好了。」有人就真的把這種情況稱為粒子動物園。

但物理學家是很實際的一群人，如果基本粒子物理越來越像植物學，那我們就向植物學家學學他們的本事。植物學家最厲害的是分類，那我們就把找到的這一堆基本粒子好好的分類吧。把性質相近的歸成一類，科學家竟然幫質子與中子找到了一群共八個夥伴，彼此質量接近，好像部隊的一個班。把這一班依照電荷、以及其他的性質分配在一張圖上，這個班的成員形成了一個六角形，除了六個頂點，各有一個班兵，在六角形的中心，還有兩個班兵。物理學家如超有耐心的植物學家，對其他基本粒子重複同樣的過程，發現在比較輕的粒子中，還有另一個六角形的班。妙的是組成這一個班的粒子，性質與質子南轅北轍，毫不搭嘎。可是它們都組成同樣的形狀，這要不是八卦圖、紫微斗數，就是上帝透過這個形狀，在暗示我們，一個巨大的秘密。

蓋爾曼是這個工作的主要貢獻者，他與更有名的費曼是同一個時代、但小十歲的大師。同樣在紐約市出生，父母都是歐洲猶太移民。蓋爾曼極度聰明自負，有個故事為證：在一個紀念物理大師費米生日的研討會上，大部分致詞者，都舉出他們與費米來往的故事，而一致的要點都是他們本來覺得自己很聰明，直到遇見費米，才相形見絀。只有蓋爾曼上台時說，他的情況和大家正好相反，費米在遇見他，也就是蓋爾曼之前，也自覺很聰明。

八個點組成的六角圖

但聰明如蓋爾曼，還要過個好幾年，他才破解出這個秘密。我以前有一個老師Coleman是蓋爾曼的學生，他告訴我們的版本，我個人覺得好像有一點誇大。真實的情況，可能是蓋爾曼偶然從一位數學界的同事那裡得知，他在想的問題，50年前數學家卡當（Élie Joseph Cartan）就解決了。但我還是把我老師的版本講給大家聽。1960年底，就是聖誕夜那天，下著暴風雪。蓋爾曼疲憊地結束一天的工作，依舊還未破解這個八個粒子構成的六角形。他隨手拿了一本法國數學家卡當的法文著作，想在睡前可以翻一翻，分散一下注意力。我的老師特別強調，到了這時候，已經沒有太多物理學家能讀法文，否則應該老早就有人發現這件事。因為秘密的解法就在書上，實在太過明顯了。當蓋爾曼在家裡，隨意翻開了書，竟然在這一本與物理完全無關的數學著作中，看到了一模一樣的八個點組成的六角圖。這顯示看似混亂、令人絕望的這些基本粒子，背後有一個簡單的數學原則存在。蓋爾曼自然欣喜若狂，可能是這種感覺很類似禪學悟道的狂喜，他直接跳過法國，把這個基本粒子物理中的數學原則，稱為八正道。這是佛學中，佛陀所開示，得到正覺的八個方法，簡言之，就是八個修道的法門。

還好物理圈也覺得這個聯想太牽強了，所以八正道這個詞並沒有流行。大家還是依循法國數學抽象的傳統，把這個原則稱為SU(3)對稱。這是任何三個類似物件，當它們組成許多綜合狀態時，原來三者的類似性會表現出來的數學性質。具體的結果就是：這些綜合態，會一群一群形成團隊，有點像表演界的男團、女團，團隊中的綜合態成員彼此的性質類似。而被允許組成的團隊，可以由簡單到複雜，有規則地一個一個列出來。八個成員組成的六角圖，就是比較簡單的一個團隊組合。有了SU(3)對稱這個數學原則，成千上萬的基本粒子可以組成團體，依據成員的相似性，我們可以對這些粒子的行為，作很多有用的預測。這些預測果然在未來幾年的實驗中，被精確地證實了。其中最戲劇性的：蓋爾曼發現，理論上應該有一個十人的演唱團體，但卻少了領頭的主唱，而且他對這個主唱的性質一清二楚。於是大家分頭肉搜，就在蓋爾曼指出這件事一年之後，這個主唱的基本粒子Ω，就在加速器中被發現了。

SU(3)對稱這個數學原則已經確定，但物理的理由是什麼呢？更奇怪的是，這個原則背後的那三個類似的物件到底是什麼？答案似乎非常明顯而直接，以至於可能很多人都想到了。在1963年3月，蓋爾曼到哥倫比亞大學物理系演講，演講前，聽眾通常會一起與講者午餐，這一天接待的是賽博（Nathan Seiberg）。午餐中，賽博就問蓋爾曼：如果這三個類似的物件就是更基本的粒子，而現在的所謂基本粒子例如質子、中子，都是由它們所組成，那不就可以完全解釋SU(3)對稱這個數學原則了嗎？蓋爾曼當時很認真的回答：「讓我來告訴你，為什麼這是一個很笨的主意。因爲如果這樣假設的話，從數學推算，這三人組有兩個帶正電荷，會是電子的2/3倍，有一個帶負電荷，會是電子的1/3倍。您閣下應該也很清楚，我們從沒有觀察到比電子電荷更小的電荷量。」賽博當場似