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第13章 粒子物理的创立

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派对上的不速之客

1936年,科学家已经解决了原子的结构问题,量子论也对其做出了精确的预测。上一次人们这样信心满满还是在马克斯·普朗克的灯泡实验之前,我们相信这种事情不会再发生了。怎么可能还需要别的东西呢?

好吧,正如我们经常引用的罗比·伯恩斯的诗句所说:“哪怕是老鼠和人类最周密的计划,也没有考虑到μ子场的存在。”

卡尔·安德森通过云室中的正电子轨迹发现了反物质。这真是太棒了,但它并没有令任何人感到震惊,因为反物质在QED的预料之中。1936年让所有人震惊的是他在云室里发现的另一条轨迹,其行为几乎与电子完全相同……除了重量是电子的200倍。

这种叫作“μ子”(渺子)的粒子性质与电子相同,能与光子场耦合,并遵循费曼图的规则。它只是“胖”一些,而且就我们所知,它对我们的理论来说完全是画蛇添足。

原子中不包含μ子,因为它寿命较短,持续时间约为0.000002秒,它出现在宇宙中,但完全没有明显的价值。μ子场是未曾有人预测也无人寻求的新场,当诺贝尔奖得主伊西多·拉比被告知存在这样一个场时,他非常惊愕,愤怒地大声说:“这是谁规定的?”[1]

μ子非常重,因此具有很高的能量,就像一根蓄力的吉他弦抑制了温和的振动,μ子场的波动可迅速将能量转移到电子场,使重粒子衰变成轻粒子(即μ子变成电子)。

1974年,同样的事情又发生了。马丁·佩尔发现了一个更重的电子,τ子(也叫“陶子”),质量是电子的3,500倍,寿命甚至更短。[2]

结果表明,电子和正电子并不是独一无二的。在这个由电子、μ子、τ子及其反物质孪生兄弟组成的粒子家族中,电子和正电子是最轻的。人们把这6种粒子统称为“轻子”。这个词源自希腊语中的“leptos”,意思是小。它们的存在让人有些不安。