【基本粒子3】從夸克到原子，認識何謂萬有理論

最簡單也是最奇妙的問題

你我每日碰到的物質──手機、街上的巴士、甚至你自己的手指頭──其實都是由更小的東西組成的。物理學家把這些最基本的成員分成兩大類：一類是「物質」本身（像質子、中子、電子等），另一類則是傳遞作用力的媒介（像光子、膠子）。要理解它們如何構成我們熟悉的世界，需要幾個核心概念：夸克與輕子、介子與重子、自旋（spin）、以及四種基本相互作用。以下把這些概念用日常比喻和原有例子拆開講清楚。

基本粒子怎樣分類？12+7 的整理方式

在比較簡化的圖像中，我們可以把已知的成員分為三大組合：六個夸克、六個輕子（像電子、電子中微子等）、再加上傳遞力的幾種玻色子，以及一個特殊的希格斯粒子。把它們合起來，能看到物質如何從微觀堆砌到宏觀。這裡的重點不是要背數字，而是弄清楚每種粒子的角色：夸克和輕子是『建築磚』，玻色子則像『工人或黏合劑』，負責讓不同磚塊彼此作用。

夸克如何組成質子、中子與介子

質子和中子這類我們熟悉的核子，是由三個夸克組合而成的，這類叫做重子（baryon）。例如，質子通常是兩個上夸克（u）加一個下夸克（d），簡稱 uud；中子則是 udd。另一種比較短暫的狀態叫做介子（meson），它是由一個夸克加上一個反夸克組成。介子並不算非常穩定，但在宇宙的高能環境或粒子加速器的碰撞中很常見。像在海報右下角提到的那些 meson，就是一個實例。

還有一些特別的三夸克組合，例如 Lambda 粒子，由一個上夸克、一個下夸克和一個奇夸克（s）組成（uds）。它電中性但質量比普通中子或質子更大，這是因為奇夸克本身較重。這些不同組合表現出不同的特性，科學家就透過實驗去確認它們的存在與性質。

自旋：不是字面上的「旋轉」，但可以想像成轉圈的規律

自旋是量子世界的重要性質，但它不是物理上那種像陀螺的實際轉動。可以把自旋想像成「量子狀態轉圈後是否回復原樣」的規則。用生活比喻來說：

• 一支筆：轉 360 度（一圈）之後回到原樣，這類比自旋為整數（如 1）。
• 撲克牌中的人形牌（例如傑克、皇后）：轉半圈後會變成鏡像，再轉一圈就回到原來樣子，這類比自旋為 2。
• 人（假設量子人）：奇妙的是，有些粒子轉一圈後不回復原樣，而要轉兩圈（720 度）才回復，這就是自旋為半整數（例如 1/2）的情況。

為什麼在乎自旋？因為自旋決定了粒子屬於哪一類：自旋為半整數的粒子叫做費米子（fermion），像夸克與電子；自旋為整數的粒子叫做玻色子（boson），像光子與膠子。費米子遵守排他原理（Pauli exclusion principle），不能多個擠在完全相同的量子態，這就是為什麼電子會在不同能級排列，從而導致化學與材料性質；玻色子則可以共用同一個狀態，讓像雷射光這類現象成為可能。

四種基本相互作用與它們的「中介人」

物理世界的互動主要由四種基本力主宰，每一種力都有它的中介粒子：

• 電磁力（electromagnetic）：由光子（photon）傳遞。帶電粒子像電子或帶電夸克會感受到此力，控制日常的電學與化學現象。
• 強作用力（strong force）：由膠子（gluon，口語也稱為膠子）傳遞，負責把夸克黏在一起形成質子、中子，並將核子緊緊綁在一起，戰勝正電荷之間強烈的排斥。可以把它想像成超強的「膠帶」，專門在極小尺度內工作。
• 弱作用力（weak force）：由 W+、W-、Z 玻色子傳遞，控制像某些放射性衰變和中子變質子的過程。弱力比強力和電磁力弱，但在改變粒子性質（例如一種夸克變成另一種）方面非常重要。
• 引力（gravity）：在宏觀世界由我們熟悉的萬有引力描述，理論上量子層面會有一個傳遞子叫做引力子（graviton），但在實驗上尚未直接觀察到。引力在天文尺度主導行為，但在微觀尺度非常微弱。

不同粒子會與不同的力互動。舉例：夸克因為帶電所以既有電磁作用也有強作用（膠子和光子都會和夸克互動）；電子因帶負電接受電磁和弱作用；中微子幾乎只跟弱力打交道。希格斯玻色子則是特別的，它會與所有有質量的粒子互動，這種互動賦予它們質量（簡單說法：粒子和希格斯場互動越強，就越重）。因此你會發現希格斯不直接和沒有質量的粒子（例如光子或膠子）連線。

從夸克到化學：一層一層的階梯

把這些微觀概念串起來，我們可以看到一條清晰路徑：夸克組成重子（例如質子、中子）或介子；質子和中子組成原子核；原子核和電子結合成原子；原子連成分子，進而形成我們的物體和化學現象。換言之，整個化學和物理世界可以從這些基本粒子的相互作用逐步拼出來。這像用不同形狀與顏色的 Lego 塊組裝模型：基本粒子是 Lego 塊，力是連接件。

為何要做高能碰撞？CERN 與尋找短暫粒子的理由

許多我们想知道的粒子在自然界很快就衰變或只在極端條件出現，例如 cosmic rays（宇宙高能射線）撞擊大氣層時會產生大量介子。要觀察這些短暫或更重的粒子，我們必須給予足夠的能量，因為能量可以轉換成質量（E=mc^2）。這就是為何全球的粒子加速器，如位於瑞士的 CERN，要用極大的能量把粒子加速再讓它們碰撞，從碰撞產物裡尋找新的粒子。隨著要找的粒子越重，所需的能量與實驗成本也越高，這是粒子物理實驗越來越昂貴的原因之一。

我們已知的理論與未完成的統合

科學家們建立了好幾套理論去描述不同範圍的相互作用：量子電動力學（QED）很好地描述了電磁力與帶電粒子之間的行為；強作用力由量子色動力學（QCD）處理，說明膠子如何把夸克綁在一起；20世紀下半葉又成功把電磁力和弱力統一起來成為電弱理論（electroweak theory）。這些都是現代物理的巨大成就。

但是，是否能把電弱理論與 QCD 再加上引力全部整合成一個單一理論？科學家稱這樣的目標為大統一理論（Grand Unified Theory）或最終的萬有理論（Theory of Everything）。到目前為止，引力的量子化仍是未解難題，要把廣義相對論與量子力學完美結合，仍需新思路與實驗證據。