弦乐四重奏: 没有基本粒子

台球是基本粒子吗？——你可以这么认为。

不久前Science上出现了一篇宣称在实验上发现磁单极的文章，相应的科普新闻被纷纷转载：

Magnetic monopoles detected in a real magnet for the first time

对此，有同学惊呼物理教材将被改写，但也有不少同学觉得这是小题大做：因为实验中看到的磁单极是从多体系统中衍生而来的磁单极，而非高能物理中的某种基本粒子。显然，持后种观点的同学基本出自物理专业。

的确，对于一个接受了几年高等物理训练的同学而言，磁单极算不得新鲜。早在20世纪上半叶，Dirac就从理论上讨论了存在磁单极的可能性，而在当下大热的凝聚态物理中，磁单极的身影更是屡屡出现，不足为奇。

不过，另一方面，我想说的是，发现磁单极这件事，无论是发生在凝聚态物理的多体系统中，还是高能物理的加速器中，区别不大。因为你很难判断，这两种磁单极子中何者是基本的。

我已连续在两篇日志中鼓吹同一个观点：没有终极理论。在这一篇中，我继续鼓吹：物理学中没有基本粒子。

当你读到“基本粒子”这个词的时候，你一定会联想到原子、质子、电子、夸克，等等这一串的概念。历史上，人们对基本粒子的认识也正好形成了这样一串从原子到夸克的链条。在今天高能物理的标准模型中，夸克算是基本粒子了。但谁也不会认为它不可再分。

是否存在基本粒子，这仍旧是哲学问题，而不是物理问题。若仅从经验出发，我们无法回答它。哲学就是这样一种有趣的学问，它的历史充满了聪明的提问和错误的回答。当人们声称最终解决了一个哲学问题时，往往不是给出正面回答，而是最终发现，这个问题无法回答。

让我对上面的话作一小结，那就是：以“不可再分的基本单元”为内涵的“基本粒子”这个概念，是非物理的。

既然如此，物理学家所说的基本粒子，又是什么呢？

学过理论物理专业课（也就是四大力学）的同学都知道“拉格朗日量”（Lagrangian）。在物理中，如果你写下一个拉格朗日量L，就等于给出了一个理论。对此理论的进一步研究，很大程度上就是去摆弄这个拉格朗日量。虽然这套研究方法背后的原理并不简单，但是最终呈现出来的结果却出奇地直观。

让我来举一个例子：如果你希望描写一个电子e-和一个正电子e+湮灭成一个光子A，那么你只需要在拉格朗日量中加入这样一项：，也就是将光子、电子和正电子“乘”起来，而其中的C是一个我们并不关心的系数。更普遍的规律是，当你希望描写几个粒子a,b,c,……之间的相互作用时，你只需在拉格朗日量中将它们“乘”在一起。

以上略去了很多细节，这里不再解释，因为我们只关心一个问题：什么是物理学家所说的基本粒子。现在，这个问题很好回答：所谓“基本粒子”，就是出现在拉格朗日量中的粒子。

你马上会问：还有不出现在拉格朗日量中的粒子吗？

当然有。这种粒子中的一大类，被称作“束缚态”（bound state）。这个名字很形象：它表示，这种粒子是由出现在拉格朗日量中的基本粒子绑在一起所构成的粒子——所以当然不是基本的。比如，你的拉格朗日量里有电子和质子，那么将这两种粒子“绑”在一起，就得到氢原子。再如，以一个含有夸克的拉格朗日量为基础，就可以适当地用夸克“绑”出一个质子，或者中子，等等。

以上所说的“捆绑法”，只是产生新的“非基本”粒子的一种方法。另一种更有趣的办法，可以叫做“集体激发”，这里不再详述。利用这种方法，我们还可以得到诸如声子之类的粒子。传统教科书中称声子这种粒子为“准粒子”，意思是说它并非真正的粒子。这只是一种成见。按照我们此处的观点，声子和光子也许并无什么本质区别。

由此可见，在物理中，一个粒子是否基本，也是一个很任意的问题：这取决于你在拉格朗日量中写下了什么。所以，我们不用太介意某种物理现象是否基本。我们所关心的是，这种现象与它所处的粒子层次的关系是什么。因为，人们目前已经知道，很多物理现象对它所发生的层次并不敏感，比如Dirac磁单极就是如此。关于这一点，我们下回分解。

最后为大家送上音乐。

Siciliana, from Flute Sonata in E flat major, BWV1031, by J.S.Bach（点这里进入下载页面！）

J.S.巴赫的长笛奏鸣曲，降E大调。第二乐章：西西里风格。

这段音乐来自柏林爱乐的长笛首席，帅哥E. Pahud与古乐专家Pinnock合作的唱片：