整個宇宙就是一個生靈
基本粒子構成形形色色萬物
作者：文晏
世界上有沒有長得一模一樣的生物？即便是穿著相同服飾的同卵雙胞胎，是否仍然有著許多不同之處？宇宙中所有的生物到底是由甚什麼構成的呢？構成物質最基本的微小粒子是甚什麼呢？萬物運行的規律又是什麼呢？古今許多科學家和哲學家們都相繼投入這類議題，嘗試運用許多方法不斷探索，從宇宙星系邊緣粒子到無限小的次原子，提出了許多學術史上關於宇宙基本組成的重要發現與理論，以期能歸納與整理宇宙萬物的結構及其運行規律。但是，誠如現代物理學之父愛因斯坦所言：「這宇宙最不能夠被理解的事，就是它竟然能夠被理解。」隱約述說著整個宇宙其實隱藏著超越人類運用數學描述的運作奧妙。
現代科學或古代哲學都試圖將物質逐步分解到基本的元素，認為元素的發現與解讀，應該是解開生命之謎的鑰匙。元素，這個名詞很多人都不陌生，是物質組成的基本單位；遠自古希臘哲學家對於元素的研究，到近代物理學界的量子革命，人類對於微小粒子的探究未曾間斷過。西元前六世紀，第一位不以「神創論」解釋萬物本原的古希臘自然哲學家泰利斯（Thales, 624～546 B.C.）曾問：「什麼是萬物之原？」他提出：「萬物皆水」的本體論，認為世上所有物質都是由同一種物質構成，而這基本物質就是水，從具體現象的因果關係解釋自然萬物統一性的難題。百年之後，德模克里特斯（Democritus, 460～370 B.C.）首先提出原子論，原子就是來自德模克里特斯所提出的理論，將物質內部沒有空隙的最小單元稱為原子（atom，意即不可分割），他認為萬物是由原子與空無所構成。之後柏拉圖（Plato, 427～347 B.C.）提出四大元素說：物質是由地（土）、水、火、風（氣）所組成。柏拉圖的學生亞里斯多德（Aristotle, 384～322 B.C.）在四元素外加第五元素乙太，提出五元素構成說：世界上的物質除由冷、熱、乾、濕四種原始性質元素與乙太依不同比例組合而成。元素論與原子論為撐起現代化學思想的兩大柱石，然而由於缺乏實驗驗證，這些屬於臆測性質的概念在往後兩千年間僅是哲學的命題。
次原子的探索過程
美國理論物理學家理查．菲力浦．費曼（Richard Philip Feynman，1918～1988）認為運用最少的字眼但包含最豐富科學訊息，應屬關於原子的假說。認為原子是肉眼不能看見的小粒子，但是，原子是宇宙當中最小粒子嗎？許多的現代科學家不斷透過科學實驗，找尋那最小且不可分割的粒子，使得原子的發現有了突破性的進展；1803年英國科學家約翰．道耳頓（John Dalton, 1766～1844）經由定比定律、倍比定律與質量守恆定律等實驗結果提出原子論，化學原子論是近代解釋化學結構理論發展的基石之一。早期的認知中，人們認為原子是元素能保持其化學性質的最小粒子，不同結構的原子，構成不同元素；其中，原子是由原子核（由中子和質子組成）以及圍繞著原子核核外電子有規律的運動形成的穩定結構，當發生化學反應時，原子核不反應，僅核外電子發生變化。可惜沒多久原子很快便被證實其非最小粒子，於是往次原子以下探尋更小粒子。
隨著新技術與新科技的產生，科學家們對構成物質基本粒子的實驗也不斷地發展，不同年代對於基本粒子的發現有著不同變化。由於原子被發現是可以在被分割的，原子是由電子及原子核組成，而原子核由質子與中子組成。物理學家以「基本粒子」描述原子的組成，以期進一步揭開宇宙萬物運轉中最微小粒子的祕秘密。隨著量子場論的提出，現代的物理學所理解的基本粒子沒多久所謂更小的基本粒子被發現，發現質子、中子與介子是由更基本的夸克和膠子所組成，性質和電子類似的是輕子，性質和光子、膠子類似的系列稱為規範玻色子。這些粒子可分為費米子（包含夸克和輕子）以及玻色子（包含規範玻色子和希格斯粒子），其中，由兩個或更多基本粒子所組成的則稱作複合粒子。
科學家除了繼續再探索更細的粒子結構之外，不免思慮到是否這些可再被細分而產生新微小基本成分，他們之間如何的相互作用？隨著人們對於原子結構認識的深入以及量子革命時代來臨，物理學家頻頻經過實驗印證，發現這些構成宇宙萬物微小的次原子基本粒子，除了具備粒子特性外，也同時具有波的特性，結合量子力學和廣義相對論為萬有理論提出了弦論（String theory），以「能量弦線」作為宇宙微觀粒子最基本單位，所有基本粒子都由一維能量線（即是「弦」）所組成，弦的不同振動模式對應出自然界的各種基本粒子，進而推論使用波動模型描述點狀、薄膜狀、弦狀物體與更高維度空間狀態，合乎物質存在的所有法則，但是弦論中的所有預測，目前尚未被實驗證實。
本文選自《生活潮藝文誌》第十三期，值得對電影、藝文有興趣的年輕人關注，各大網路書店現正販售中。