前幾期，我們撬開了原子，發現原子內還有電子和原子核。接著，我們進一步進入了原子核，發現原子核內還有質子和中子。這一期，我們再繼續向下深入，看看質子和中子的內部到底是什麼？

淘“粒子”時代

自從湯姆遜發現了電子，盧瑟福發現了質子，查德威克發現了中子之後，科學家又相繼發現上百種“基本粒子”，他們甚至把這戲稱為“粒子動物園”。所以，在那個年代，許許多多的科學家因為淘到“新粒子”而獲得諾貝爾獎，真的有點當年化學家和物理學家一起搶“新元素”的感覺。

隨著新粒子被發現得越來越多，科學家也開始思考：是不是存在更基本的粒子？

1949年，費米和楊振寧就在一篇文章中寫到，

隨著越來越多的新粒子被發現，這些粒子都是基本粒子的可能性就會越來越小。

夸克模型

為了解決“新粒子”帶來危機，1964年，蓋爾曼和茨威格分別獨立提出了夸克模型。

蓋爾曼和茨威格假設所有的強子（質子和中子就屬於強子）都是由夸克和反夸克組成的。

在他們的理論中，夸克有三種“味道”，分別是上、下和奇異夸克。這裡的“味道”並不是說夸克真的有味道，只是為了區別他們的代號而已。

加速器的發現

不過，當時的科學家對於他們的理論也不知道做啥評價好，因為這完全就是數學推導出來的一個結果而已，是不是真的具有物理含義就另說了。

不過，到底有沒有，還是要拉出來遛一遛才知道。理論預言的粒子，如果真的能找到，那就說明理論是成功的。

這時候我們可以再回憶一下，我們的老朋友盧瑟福。

他就曾經用α粒子當成子彈，想方設法要撞開原子核。

這種“野蠻衝撞”成為了研究粒子物理學的一種極其重要的手段。

1951年，斯坦福大學就開始籌劃建造有一個長達3公里的直線加速器。

其實原理是和盧瑟福撞原子核是一個道理，不過獲得更好的結果，就需要給粒子加速，以此讓粒子獲得很高的能量再去撞，這樣撞上去的效果會更好。

既然是想知道質子內部到底有什麼，科學家用到的辦法就是用高能的電子束去轟擊液態氫靶。說白了就是轟擊質子，看看能不能像撞原子核那樣撞開質子。

到了1968年，科學家觀測到了氫原子核（相當於一個質子）內的三個電子廣角散射中心。

說白了，就是他們發現質子中存在三個比質子小的點狀物。

所以，實驗人員就提出：

質子可能由3個基本粒子所構成。

這也間接證明了“夸克”存在的可能性。

夸克真的存在麼？

可是我們總說“活要見人，死要見屍”。雖然實驗可以觀測到存在三個點狀物，但無論科學家用什麼辦法都無法直接發現自由存在的夸克。也就是說，科學家就一直沒見到夸克的本尊。這就讓人很尷尬了，這夸克到底存不存在？

於是，有人就提出了“夸克禁閉”的理論。那什麼是夸克禁閉呢？

我們可以通過引力來理解這個問題。我們都知道引力是隨著距離的增大而減小的，也就是說和距離的平方成反比，離得遠，引力就越小。

而把夸克們綁在一起的是強相互作用力，它和引力恰恰相反，夸克之間的距離越大，強相互作用力就越大，距離越短，強相互作用力越小。而且由於強力是四大作用力中最強的作用。因此，這就限制了夸克之間的距離不能太遠，就把夸克限制在了一個區域內。

而這個後來通過楊米爾斯理論也確實推導出了這個結果，和這相關的五位科學家都獲得了諾貝爾物理學家。而這裡的楊米爾斯理論，就是由楊振寧和米爾斯提出來的。

六味夸克“丸”

有了強力相關的理論，這就好比辦了，科學家們開始潛心去找尋夸克，希望能把夸克都找全了。最終，他們找到了六種夸克，分別是：上、下、粲、奇異、底和頂，這也被叫六味。其中，華裔科學家丁肇中領導的小組，以及里克特領導小組分別獨立測到了由粲夸克和反粲夸克組成的介子（也是一種強子）。這個介子後來被稱為J/ψ 介子。

而科學家通過對J/ψ 介子的研究，更加確信夸克理論是正確的。所以，J/ψ 介子的發現也成了夸克模型里程碑一樣的事件。丁肇中也因此獲得了諾貝物理學獎。

夸克是如何構成質子的？

如果我們要描述一個夸克，一般會描述三個物理量：質量，電荷，自旋。這就好比，我們要描述一個人，可能是身高，體重和長相，是一個道理。

不過，關於質量和自旋，我們以後會用專門的一篇文章來詳細講述，這期我們先講電荷。夸克令人匪夷所思的就在這裡。

上、粲和頂夸克的電荷是+2/3；而下、奇異和底夸克的電荷是-1/3。

比如：質子就是由2個上夸克和1個下夸克組成的，那麼質子的電荷就是2/3+2/3-1/3=1，也就是說質子帶了一個單位正電荷。

而中子是1個上夸克和2個下夸克組成的。所以，中子的電荷就是2/3-1/3-1/3=0。也就是說中子是電中性的。

夸克模型也解釋了為什麼中子要比質子的質量大一點，這是因為六種夸克的質量是不同的，上夸克質量是最小，而質子有2個上夸克和1個下夸克，中子有1個上夸克和2個下夸克。所以構成質子的夸克總質量是小於構成中子的夸克總質量的，因此中子才比質子的質量要大一些。

正因為夸克模型可以很好地解釋各種現象。因此，也被廣泛接受，並納入了粒子物理標準模型當中。在這個模型中，構成質子和中子就是夸克，這也回答了開頭我們提出的問題，質子其實是可再分的，繼續分下去就是夸克。

關於夸克其實還有很多內容，但由於篇幅的我們以後再詳細說。在這裡，大家不妨思考一下物質的質量到底是咋來的呢？