这个世界上最小的东西是什么？让我们来思考一下这个问题。

世界是由物质和元素构成的，而基本粒子是指人们所认知的构成物质的最小最基本的单位，即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。那么基本粒子到底什么？其实这个问题本身就有问题，基本粒子并不是一种粒子，而是一类粒子。它的发展经历了三个阶段，在不同的阶段，人们对于基本粒子的定义和具体所指也有着不同的认识。

基本粒子家族

第一个阶段：1897—1937

这正是量子力学萌发和成长的时期，因为当时的科学家的注意力开始从生活中牛顿力学作用的物理转移到构成世界本质的那些更加玄妙的量子层面上来，简单说，由可触的宏观转到了难以用实验验证的微观。这时期，科学家们发现了大量的新的粒子，包括电子、中子、正电子等粒子，这是人们对于基本粒子最初的理解和接触。而第一个被人们所发现的就是电子。

1897年，汤姆逊将一块涂有硫化锌的玻璃片覆盖在阴极射线的传播途径上，他发现如果不进行任何干扰，阴极射线会沿着直线行进，但如果在射击线管的外面加上电场或者磁场，阴极射线就会不可避免地发生偏折。根据其偏折的方向，汤姆逊轻而易举就判断出带电粒子的性质。汤姆逊假定这是一种被电离的原子，即带负电的“离子”。汤姆逊匠心独运采用横向双聚焦补偿法来测量阴极射线粒子的荷质比。结果发现这个比值比电解质中氢离子的比值还要大得多。显而易见，这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多。汤姆逊将自己的研究成功向英国皇家研究所进行了报告。汤姆逊敢于向传统的观念发起挑战，他打破了最小的粒子为原子的科学禁锢，提出这是一种比原子更加微笑的粒子的结论。当时，这个结论引起一片哗然，但是汤姆逊最终通过实验数据打败了那些只会臆测的科学家们，并因此摘取了1906年诺贝尔物理学奖。他发现的正是电子，后来的科学家称他通过发现电子打开了基本粒子的大门。1932年查德威克在用a粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由基本的结构单元：质子、中子、电子构成的统一的世界图像。同年，安德森让宇宙射线去撞击威尔逊云室中的铅板，然后拍摄照片，发现宇宙射线穿过铅板之后，轨迹发生了弯曲，有一个未知粒子的轨迹和电子的轨迹完全相同，但是弯曲的方向却恰好相反。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而在实验上完全证实了正电子的存在。从此，正电子便正式被列入基本粒子的行列。

第一阶段人们认识的基本粒子

第二阶段：1937—1964

1936安德森研究宇宙射线时发现一种粒子在穿过磁场时弯曲的形态与已知的粒子不同，它的弯曲度比电子小，却比质子大，将其命名为μ子，又称为渺子。宇宙间四个基本作用力为万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。之前发现的基本粒子都参与强作用，但是渺子却不参与强作用，科学家将其和与之相伴的μ中微子同电子及与之相伴的电子中微子统称为轻子。

随着粒子加速器和粒子探测器的日臻完善，这一阶段进入了发现基本粒子的主要时期。以至于当时有个科学家开玩笑说：“明年诺贝尔奖应该颁发给今年没有发现基本粒子的物理学家。”这阶段发现的打量基本粒子都是强子，于是提出了“八重法”将这些强子进行分类。

这一阶段理论上最重要的进展是重正化理论的建立和相互作用中对称性的研究。

粒子对撞机，发现新的粒子

第三阶段：1964—现在

从1964年至今是基本粒子一个新阶段，以提出强子结构的夸克模型为标志。经常看科幻小说的读者对于夸克并不陌生。夸克的提出其实是对基本粒子本身一个有力的冲击。但在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，科学家们开始刻意回避“基本粒子”这一不够严谨的说法，而是根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。说以正确的说法和分类是，夸克互相结合，形成强子（质子和中子都属于比较稳定的强子），它们是构成原子核的单元。

夸克概念图

现已发现六种味的夸克，分别是上夸克u、下夸克d、奇异夸克s、魅夸克c（有的称为粲夸克）、底夸克b以及顶夸克t。前三者是于1964年由盖耳曼和兹韦克在强子分类“八重法”的基础上分别提出。它们的电荷、重子数为分数。1974年发现J/ψ粒子，其独特性质必须引入一种新的魅夸克c ，1979年发现另外一种独特的新粒子Υ，必须引入第5种夸克，称为底夸克b。1975年发现重轻子τ，轻子与夸克的对称性意味着存在第6种顶夸克t。

说到基本粒子，还有另外一种说法，那就是近些年发展起来的弦论。弦论的一个基本观点就是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈，闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。这个观点只作为一种超前的理论来看，在此不做深入探讨。

读到这里，读者大概已经明白，当我们谈论基本粒子的时候，说的并不仅仅是电子、强子后者夸克，而是一个历史发展的过程。正如我们谈论中国，不可能只看到现在，还要回顾几千年的文明，以及各个朝代的面貌，这样才能更加精准地理解一个国家。这正是我们对待基本粒子应有的态度。

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