電荷為什麼守恆？電荷能為分數嗎？夸克？跨科

現在的人們幾乎天天離不開電。電是電子的定向移動。電子帶的是負電荷；質子帶的是正電荷。科學家們規定：電子和質子帶的電荷為1。正、負電荷相互抵消，所以，原子不帶電。

電荷是什麼？

電荷（electric charge）即帶正負電的基本粒子，帶正電的粒子叫正電荷（表示符號為“+”），帶負電的粒子叫負電荷（表示符號為“﹣”）。宇宙電荷守恆，所有電荷的代數和不會隨著時間的演進而改變。同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。電子、質子以及一切帶電體的電量都不因運動變化。電荷具有量子性，任何電荷都是電子電荷e的整數倍 ，e＝1.60217733×10-19庫。質子與電子的電量絕對值完全相等。

圖1 電荷

電荷守恆有兩種解釋：1、正負粒子數守恆，正負粒子的品質不守恆。就像質子和電子。2、正負粒子數守恆，正負粒子的品質也守恆。就像質子和負質子。

電荷為什麼守恆？

大爆炸宇宙創生理論認為，基本粒子是從能量中成對地產生的，所以電荷守恆。這是對電荷守恆的第二種解釋。於是，每一種帶電粒子都有一個反粒子。推而廣之，應該有反電子、反質子、反中子、反原子、反地球、反人類、反宇宙等等。以致於科學家們紛紛質疑自然界為什麼沒有反物質？反物質哪裡去了？爭相研究、尋找、製造反物質。

如果按照電荷守恆的第一種解釋來思考呢？質子和電子數守恆就足夠了，不需要品質守恆。也就是說，宇宙誕生之初，形成大量穩定的原子，其餘不穩定的粒子迅速衰變了。原子在恆星裡聚變衍生出現在的宇宙。這就解釋了為何宇宙由物質組成而沒有反物質的影子。

電荷能是分數嗎?

質子和電子是構成原子的基本粒子。科學家認為，質子和電子又由更小的粒子夸克組成。也就是說，夸克是物質的基本組成部分，構成了我們周圍的一切。夸克不能再繼續分割為更小的結構了。

1964年，加州理工學院的理論物理學家默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）首次提出了夸克模型。1969年，蓋爾曼獲得諾貝爾物理學獎。

夸克的電荷不是整數1，而是分數。夸克共有六種型別，即六種“味”，分別是上、下、粲、奇、底和頂。

2 粒子

上、粲及頂夸克這三種“上型夸克”的電荷為+2⁄3，而下、奇及底夸克這三種“下型夸克”）的則為−1⁄3。上型反夸克的電荷為−2⁄3，而下型反夸克的電荷則為+1⁄3。所有強子的電荷均為整數+1。比如質子就是由兩個上夸克、一個下夸克（uud）組成的，所以電荷為+1；而中子就是由一個上夸克、兩個下夸克（udd）組成的，所以電荷為0。

圖3 質子、中子電荷

多麼美妙的數學理論啊！可惜，儘管1973年在斯坦福直線加速器中心（SLAC國家加速器實驗室）進行的實驗證實了夸克的存在，但只有在實驗室中，以粒子加速器將電子或質子加速，在高速下碰撞，同時以極精密的儀器進行測量，才能推論出夸克的存在。科學家們說這叫“夸克禁閉”。

奇怪的是，1994年4月26日發現於美國費米實驗室的頂夸克品質達到171GeV(與鋨原子相當)，遠遠大於質子的品質（938MeV），電荷為+2/3，壽命極短，在1的負24次方秒內衰變成電子（e）、中微子和b夸克或者衰變為μ子（μ）、中微子和b夸克。

圖4 夸克

是“夸克禁閉”還是根本就沒有夸克？

眾所周知，標準模型裡的61個粒子絕大部分是在大型對撞機上撞出來的。61個粒子都有自轉，除了32種夸克，其餘粒子的電荷都是1，都是能夠獨立存在的粒子。唯有夸克神龍見首不見尾。

大型對撞機上撞出來的產物都應該是原來粒子的碎片，不外乎增加了一些品質或者減少了一些品質。只有那些產生了自轉的碎片才能被清楚地檢測到，稱為新粒子。對撞機能量越大，產生的新粒子就越多，品質範圍就越大。一些與理論比較接近的新粒子就被一一找出來了。

但是，夸克並沒有被找出來。只是被推論出應該有。而且，新發現的粒子帶有的電荷都是整數。意味著只要是旋轉著的帶電新粒子都帶有整數電荷。分數電荷是不可想象的。一個旋轉著的帶電粒子怎麼可能一分為三？“漸進自由”可能已經宣佈了夸克的終結。帶電粒子夸克之間竟然離得越近，作用力越小；離得越遠，作用力越大。以此解釋“夸克禁閉”，違反了庫侖定律。

圖5 夸克禁閉

科學允許假設，科學需要數學，科學也能夠推演。但是，把數學計算出來的結果不加取捨地套用在物理上，難免出現大的偏差，甚至謬誤。

夸克理論是美妙的。但現實是殘酷的。舉全世界之力沒有找到夸克就足以說明夸克的虛幻，應該轉換思路，改弦易轍。也許，夸克不是粒子，而是粒子裡的兩個層次，即旋渦中心品質和外圍品質。當然，邊緣還有品質，那是膠子的事了。夸克被困在旋渦裡，不能像質子、電子那樣形成次級小旋渦，品質無法集聚成球形，只能顯示部分特性。

質子可能無法再分裂成次級粒子了。科學家們預言的質子放射性衰變為中性π介子和正電子的現象至今沒有被證實。於是計算出質子的半衰期至少為10的35次方年。即使CERN實驗室的科學家利用LHC對撞機以超快速度讓質子與質子撞擊到一起，產生約10億度的高溫，也只是重現了一次模擬宇宙大爆炸，並且撞出了一些轉瞬即逝的新粒子而已，根本就沒有撞出個夸克來。

夸克，跨科了？

參考文獻：袁玉剛著《旋渦裡的宇宙》，甘肅科技出版社2008年出版