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。
曾经，我们以为所有的物理定律都在某种程度上有益于生命。μ子和τ子的发现挑战了这一观点，因为似乎大自然有时会做一些与我们无关的事情。没有μ子和τ子，我们也会活得很好。无论它们存在的理由是什么，显然我们不需要它们。
μ子和τ子有一些更多样的用途，比如探测金字塔的内部（它们比电子更重，穿透更深）。但除此之外，大自然似乎毫无缘由地把电子分成了三份，而且不只是轻子有这种分裂。
粒子动物园
我们很难探测到宇宙射线粒子，因为它们大多与地球大气层相互作用，永远不会到达地表。为了看得更清楚，塞西尔·鲍威尔决定在安第斯山脉的山顶安装一组粒子探测器，看看会发现什么。1947年，在如此高的地方，鲍威尔发现了一种他称之为“π介子”的粒子。π介子的电荷与中子相同，但质量更轻。
几个月后，克里福德·巴特勒以同样的方式发现了K介子。然后在1950年，科学家发现了λ粒子，它就像一个很重的质子。接下来我们发现了Ξ粒子、eta粒子和ω粒子，到20世纪70年代初，我们已经有400多种新粒子需要追踪。[3]
我们原本简洁的收藏品现在看起来更像是一场乱糟糟的聚会，每五分钟就有一个新的不速之客到来。罗伯特·奥本海默说，我们应该把诺贝尔奖颁给没有发现新粒子的物理学家[4]。恩里科·费米则十分沮丧，他说：“如果我能记得这么多粒子的名字，那我就可以做一个植物学家了！”[5]
尽管在数学上很复杂，但量子场论被认为是对物理学基本定律的一种优雅的描述。丑陋的粒子药水画不出这样一幅图画。
这让人想起一个世纪前化学领域发生的事情。人们不断发现着具有各种性质的新化学元素，等人们意识到原子是由更小的物质—今天我们所熟知的质子、中子和电子—构成时，各种困惑才得以解开。物理学家希望同样的事情也会发生在粒子身上。
有400个物种的动物园看起来太乱了。有的人不得不在混乱中寻找规律，就像费曼使我们对电子和光子的理解变得有条理一样。或许具有讽刺意味的是，完成这项艰难任务的正是费曼的对手：默里·盖尔曼。
盖尔曼与费曼的办公室隔着一道走廊，两人的关系经常剑拔弩张的。当他们都获得诺贝尔奖之后，关系变得更糟。
费曼喜欢参加聚会，流连在女人之间（他结过三次婚），在读书上没花太多心思。盖尔曼是一位杰出的学者，15岁入学耶鲁，能讲多种语言，把很多时间花在阅读语言学和考古学的论文上。盖尔曼生活恬淡，费曼喜欢酒吧和俱乐部（不过值得注意的是，费曼从不喝酒，他鼓励人保持清醒）。
尽管两人有分歧，生活方式也迥异，但他们都认为质子和中子不是基本粒子。人们已经知道了几十种更轻的粒子，这意味着存在更小的亚结构，人们正在竞相提出一种新的量子场论来描述它们。
费曼把这些假设的亚质子／亚中子称为“部分子”，就如何观察它们做了大量的研究。然而，详细描述它们的理论是由盖尔曼提出的，盖尔曼还给它们取名为夸克（kwork），仅仅因为他喜欢这个词的发音（如果你以前读过这个话题，对“kwork”这个拼写有所怀疑，请稍候）。
通过分析已发现的大量粒子的质量、电荷、自旋和寿命，盖尔曼说所有粒子都可以理解成夸克的组合。有两种夸克，分别叫“上夸克”和“下夸克”。
上夸克带+2/3电荷，下夸克带-1/3电荷。两个上夸克加一个下夸克，即+2/3+2/3-1/3得到+1，也就是一个质子。两个下夸克加一个上夸克，即-1/3-1/3+2/3得到0，也就是一个中子。
三个上夸克得到Δ粒子，一个上夸克和一个反下夸克得到π介子……诸如此类。粒子动物园是一种错觉，质子和中子都是复合粒子，而不是基本粒子。夸克才是重要的，因为夸克组成了物质。
哦，顺便说一句，这就是反中子的由来。普通中子不带电，这是因为组成它的夸克总电荷为0。你可以用两个反下夸克加一个反上夸克的组合，总电荷也是0。但反物质0不等于物质0。生活是不是挺丰富多彩的？
海鸥的鸣叫
一天晚上，在读爱尔兰现代主义小说家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》（Finnegans Wake）时，盖尔曼读到了一首诗，开头是这样写的：“向麦克老人三呼夸克（quark）。”
盖尔曼立即被这个毫无意义的“夸克”吸引住了，因为它描述的正是一组三个物体发生的事情，就像他提出的粒子一样。这个词的拼写稍稍往他听过的声音靠拢，他就接受了这个发音。乔伊斯可能想用“quark”与“Mark”押韵，但盖尔曼决定用“kwork”与“quartz”押韵。[6]
在诗中，“quark”一词代表海鸥的鸣叫。也许在盖尔曼居住的加利福尼亚州，海鸥发出的声音是“kwork”，而不是“kwark”。
英国人经常把这个词读成“kwark”，但这不是盖尔曼的本意。你一定要读成“kwork”，否则就得面对加州海鸥的怒火。
另外，用鸟鸣声给粒子取名并不是最奇怪的事情。物理学家阿兰·古斯给一种假象的粒子取名为“暴胀子”，因为它让宇宙加速膨胀。弗兰克·维尔切克给一种粒子取名为“axion”，这是一种洗涤剂的品牌。[7]
色彩丰富的语言
盖尔曼提出了夸克的存在，几年后，人们通过实验发现了夸克。在实验中，科学家向中子发射轻子（电子、μ子和τ子），并观察它们的路径。如果中子是“中子场”中不可再分的物质，轻子就会呈锐角反弹回来。但如果像盖尔曼预测的那样，中子由夸克亚结构组成，轻子就只会偏转，被夸克粒子的电荷吸引而偏离航线。[8]
实验结果符合盖尔曼的预测，为我们提供了一种新型粒子，也为正在研究的原子核提供了一种量子场论。
质子和中子各由三个夸克组成，考虑到海森堡不确定性原理，这些夸克周围有数千个虚夸克。维持稳定的三个夸克叫作“价夸克”，它们决定了整体的同一性。
由于夸克带电，我们知道夸克会与光子场相互作用。但存在一个明显的问题：为什么带正电的两个上夸克不会相互排斥？带相同电荷的两个粒子不可能相安无事，因此需要有人来解释，为什么原子核在形成的瞬间不会爆炸成碎片？
日本物理学家汤川秀树提出有一种比电磁力强得多的力，是它使质子形成一个整体，也是它让质子和中子保持稳定。这种力可以压倒电荷的排斥，原因是它非常强，所以汤川秀树给它取名为“强核力”。
电磁力与强核力的量级差别非常大。电磁力可以移动原子周围的电子，使化学反应（比如生火）得以发生。强核力则涉及移动原子核中的质子和中子，它能引发核爆炸。
电磁力是关于粒子与光子场的耦合的，并且粒子通过虚光子进行交流，所以从逻辑上讲，强核力也有自己的场，并且夸克能与之耦合，盖尔曼把这种场称为“胶子场”。你懂的，因为它把粒子胶合在一起。
接下来，我们要赋予夸克一种属性。光子场中粒子的耦合能力叫电荷，盖尔曼需要一种属性使夸克与胶子场耦合，他选择了一个不太有用的词：色荷。
“黏性”这个词可能更适合，但盖尔曼确实有自己的理由。不同于电荷的两种形式（正电荷与负电荷），色荷有三种，这让人联想到光的三原色。
夸克有红、绿、蓝三种“色荷”，它们通过胶子结合在一起，颜色相互抵消，形成整体呈“白色”的质子和中子。夸克并不是字面上的红色、蓝色和绿色（实际上它们没有颜色，参阅附录Ⅴ），我们通常把它们画成红色、蓝色、绿色，只是为了故意造成混淆。
费曼关于电子和光子的量子场论是量子电动力学，因此盖尔曼把关于夸克和胶子的量子场论称为“量子色动力学”（QCD）。这个名字来自希腊语中的“chroma”，意思是颜色。
看来我们被困在这里了
费曼关于轻子的QED理论和盖尔曼关于胶子的QCD理论有一个最大的区别，那就是在QED中，一切都可以用相反的术语表示：吸引与排斥，正与负，物质与反物质，等等。我们可以通过颠倒方程和图表解决所有的问题，但强核力涉及三种色荷，因此不再是改变立场的问题。有三种不同选择的时候，“相反”这个词就不再适用。
此外，反夸克还有反色，分别是反红、反蓝和反绿。也就是说，如果QCD成立，我们就必须解释六种色荷。电荷是光子以相反的方式运动的结果，但胶子不同，盖尔曼必须对它们的古怪行为做出合理的解释。
我们需要一种更复杂的费曼图，在这种图中颜色可以转换。
电子和正电子都带有电荷，而夸克可以互相交换色荷。假设有两个夸克，分别是红色和蓝色，胶子场可以转换它们的颜色，红夸克变成蓝夸克，蓝夸克变成红夸克。
QCD图用螺旋线代表胶子，两个夸克之间的相互作用可以这样计算／描绘：
夸克之间移动的胶子把蓝色荷带到左边，把红色荷带到右边。这意味着在来回穿梭的过程中，虚胶子是色彩丰富的。
色荷交换也可以解释为什么强核力总是相互吸引，而电磁力既可以吸引，也可以排斥。因为虚胶子有多种颜色，每一端都有夸克。根据定义，胶子把一个夸克的色荷转移到另一个夸克，如果去掉其中一个夸克，对应的胶子就会空下，其中的色荷将无处安放。
夸克有色荷，这是它们与胶子场耦合的另一种说法。夸克永远不会独立存在，因为夸克的本性就是“通过胶子与其他夸克结合”。强核力总是具有吸引力的。
其对应的术语叫“夸克禁闭”。夸克总是成对出现（介子）、三个一起出现（重子）、四个一起出现（四夸克），等等。我们从来没有见过“裸”夸克—真实的术语—尽管那些变态的物理学家竭尽全力地想要看一眼。
我们把两个夸克放在胶子线的末端（介子），让它们在磁场中旋转，直到胶子管折断。
遗憾的是，当我们做这个实验的时候，胶子会产生额外的能量，并立即把这些能量转移到夸克场，在裂口两端产生新的夸克。一个介子变成两个介子。夸克不会单独存在，即使它们被强迫分开。
在费曼的QED中，光子不具有电荷（它们引起电荷）；但在盖尔曼的QCD中，胶子和夸克一样拥有色荷，这意味着胶子可以与胶子相互作用，随意地来回交换量子彩虹。
我们知道，质子由三个夸克组成，胶子在夸克之间来回移动。最开始我们认为三个胶子呈三角形，但由于胶子能彼此交流，现在我们认为夸克之间的胶子呈Y形。
这也意味着胶子不需要夸克也能粘在一起，形成自己的纠缠胶子对，我们称之为“胶球”。
在某种程度上，这种新增加的复杂性使QCD比费曼的QED更令人印象深刻、更错综复杂；但从另一种角度来看，QED优雅得多，它只需要一种交换粒子，而QCD需要好几个（8种胶子才能交换所有的颜色组合）。感谢上帝，夸克只有两种，对吧？
奇异的魅力
盖尔曼的上／下夸克很伟大。把它们按正确的顺序组合起来，我们就能解释粒子动物园中几乎所有已知的粒子。关键词是“几乎”。
有一个粒子是特殊的。不能把K介子描述成上夸克和下夸克的组合。它更像是一个上夸克与一个较重的下夸克胶合在一起。
考虑到电子有几个已知的、重得多的相对粒子（μ子和τ子），盖尔曼认为下夸克也一样。K介子的行为的确很奇异，所以盖尔曼用“奇异”这个词给第三种夸克命名，并给出了QCD中所有必需夸克的列表，来看看吧：
盖尔曼用复杂的数学方法预测了上夸克和下夸克，但即使不是诺贝尔奖得主也能发现这张表缺少什么。如果下夸克有一个更重的对应粒子，难道上夸克不应该也有一个吗？如果存在第四种夸克，这张表不是更简洁、更漂亮吗？
物理学家谢尔顿·格拉肖相信有第四种夸克，并计算出了它可能具有的性质。有一些细微的证据可以证明它的存在（科学家预测K+和K0粒子会转变成更轻的粒子，盖尔曼的三夸克理论也是这样预测的，但实际并非如此），但格拉肖很大程度上是凭直觉，他认为宇宙应该是完美的。
很多时候，科学家是顽固的怀疑论者，他们不相信没有证据的想法，但有时他们也是人，也怀有憧憬。
格拉肖深信大自然是美丽的，所以他给他憧憬的粒子取名为“粲夸克”(1)。迷人的大自然使夸克更加和谐、对称。他的乐观在1974年得到了回报，粲夸克被发现了。记住，在物理学中，有时你可以期望大自然知道她正在做什么。
“3”显然是个神奇的数字
在阿瑟·克拉克的科幻名著《与拉玛相会》（Rendezvous with Rama）中，人类发现了一处被外星人抛弃的建筑，它是由一个迷恋数字“3”的物种建造的。人类发现了有三条裤管的外星人服装、三联体的建筑，这个神秘物种的每个决定似乎都被复制了三次。大自然也有类似的困扰。
在粲夸克得到验证的前一年，事实上也是《与拉玛相会》出版的那一年，小林诚把这种对称而简洁的想法又推进了一步。QED中有三种物质粒子—电子、μ子和τ子，所以也许QCD只是重复了相同的趋势。
粲夸克是上夸克的“胖姐姐”，奇夸克是下夸克的“胖姐姐”。还会有第三代吗？小林诚不相信必败的设想，他给这些夸克取名为“底夸克”和“顶夸克”。它们分别在1977年和1995年被发现。
在《与拉玛相会》的结尾，人类还有许多困惑：外星人是谁？为什么它们选择“3”？在粒子物理中，情况也是如此。
为什么夸克和轻子都有三代？有第四代吗？三个世代与三种色荷有关联吗？没人知道。
也许有一天，我们能突破胶子线的禁闭，分解出一个独立的夸克，然后进一步了解它们的行为。也许有一天，我们可以得到裸粲夸克、裸奇夸克和裸上夸克。如果我们足够幸运，终有一天我们能够瞥见裸底夸克(2)。
(1) 格拉肖的命名是“charm quark”，意思是“魅力、美好”，所以这个词最早被翻译成“魅夸克”。中国物理学家、教育家王竹溪先生将其翻译成“粲夸克”—“粲”与“charm”谐音，出自《诗经·唐风·绸缪》中的“今夕何夕，见此粲者”，其中“粲”是美好的意思。“粲夸克”这个译名沿用至今。—译注
(2) 原文是“naked bottom”，字面意思是**的下身。—译注