电子发现至今已有100年。在所有的基本粒子中，电子最广为人知、最有用，且最早被发现。然而它是基本的吗？还有什么其他的基本粒子吗？
100年前，汤姆逊（J. J Thomson）发现电子这一事件，具有双重的嘲讽含义。其一。这一发现是理论预测胜过实验技巧的成功事例。在汤姆逊被聘为卡文迪许实验室的实验物理教授时，其声望多半建立在数学工作的基础上。他在卡文迪许实验室的一位助手后来回忆说“汤姆逊并不擅长于动手，没必要鼓励他去摆弄仪器”。1897年，他对构成阴极射线的粒子质荷比进行了测量，其精度还不如几乎是同一时期考夫曼（Walter Kaufmann）在柏林测量的高。汤姆逊过去一直受到牛顿、普勒特和道尔顿原子说思维的传统影响。鉴于观测到阴极射线粒子的质荷比非常小以及它与发射这种阴极射线的材料无关这些事实，他认为显然可以得出结论:这种粒子是原子的基本组成部分，“由此为基本成分构成了化学元素”。
作为一名实验工作者，汤姆逊的最大成就也许是两年以后，他证实了在光电效应和热电效应中，从金属表面逸出的粒子和构成阴极射线的粒子具有相同的质荷比。这支持了他的判断，即它们是相同的粒子。大概也就是在此时，物理学家们开始借用电解理论中的一个名词，称这种粒子为“电子”。
此外，汤姆逊还对电子的电荷进行了测量，从中可以直接推断出得到或失去一个或几个电子的离子或原子的电荷数。结合早期在电解过程中对各种离子质荷比的测量结果，还可以确定离子的质量值，进而得出原子的质量值。这些数值和用其它方法推测的结果完全一致。其次，也是更具嘲讽含义的是:电子的发现证实了原子的存在。由于电子可以脱离原子，因此这一发现表明，原子并非是物质不可分割的最基本组分。用我们现今的术语，它们不是基本粒子。
那么，什么才是基本粒子呢？1911年，当原子核在卢瑟福（Ernest Rutherford）实验室被发现的时候，并没被认为是基本粒子。这一方面是由于一些放射性原子核会发射电子和其它粒子，另一方面则是由于可以通过假设原子核由两种不同类型的基本粒子（轻者:带负电的电子:重者:带正电的质子）组成，从而全面解释原子核的电荷和质量。
20世纪20年代，在某种程度上盛行着一种观点，认为所有物质都只不过是由两种类型的基本粒子构成。这在今天很难理解。比如1932年查德威克（James Chadwick）发现了电中性的中子，当时就普遍认为中子是由一个质子和一个电子构成的，在宣布这一发现的论文中，查德威克提出了自己的观点:“当然，你可以猜测，中子也许是一个基本粒子，但现在看来，除了有可能用于解释14N原子核的统计数据之外，这一观点几乎没有介绍的必要。说到“统计数据"也许可以这样理解：查德威克是指排除了认为14N原子核仅由质子和电子构成（不管它们中的一些是否束缚在一起成为中子）的可能性以后，从分子光谱中获得的数据。1936年，核力的电荷不变性被发现，这表明，中子和质子必须以同样的方法来处理。如果质子是基本粒子，那么中子必定也是基本粒子，今天说到质子和中子，通常把它们概括为核子。
图1. J. J汤姆逊正在寻找原子的基本构成
本世纪20年代以后，在所谓的基本粒子表中，粒子开始大量增加，第一个被发现的新粒子是正电子（电子的反粒子）。1928~1930年，在狄拉克（Paul A. M. Dirac）的电子理论中。正电子以空穴的形式出现在负能量的电子海中，但是今天看来这种描述已经过时，今天认为正电子本身就是一个粒子。1937年，μ子——一种重电子一一载入了基本粒子表中（尽管它的性质后来才被了解）。20世纪40年代又相继发现了称为π介子，K介子以及超子的强相互作用粒子。1930年提出了称为中微子——一种羽相互作用粒子——存在的可能性，但直到1955年才真正被发现。在20世纪50年代后期，使用了粒子加速器和汽泡室，开始揭示出各种各样新的强相互作用粒子，包括更重的π介子、K介子、核子和各种超子。
原则上，即使自然界允许存在两种以上的基本粒子，但实际上其种类不会很多。据理论工作者的推测，它们中的绝大部分是由少数几种类型的基本粒子组成的。然而谁又能说出电子或其它粒子中的任何一个能否被列入基本粒子之中呢？这一问题一经提出，显然过去认为“如果不能从粒子中撞击出任何东西，那么它们就是基本粒子”这样的说法是欠妥的。电子和正电子是在电子与电子或电子与原子核相互碰撞时产生的，但是我们不能把它们看作是从电子中碰撞出来的。质子之间的相互碰撞产生了π介子，而π介子之间的相互碰撞却又产生了质子和反质子，那么哪一个粒子是另一个的复合体呢？
20世纪50年代，一些理论家把这个困难变成了一条原则，认为只要遵守能量守恒定律，任何一个粒子可以看作是任何其它粒子的一个束缚态。几十年以后的1975年，海森伯（Werner Heisenberg）在德国物理学会的讲话中提出了这一观点。他回忆说“在50年代和60年代的实验中……发现了许多新的粒子，其寿命长短不一。关于这些粒子是由什么构成的问题，再也不可能存在明确答案。因为这个问题不再具有理论意义。比如，一个质子可以由中子和π介子构成或者可以由λ超子和K介子构成。也可以出自两个中子和一个反中子的组合。如果把一个质子说成只是一个连续体，那么这会是一种最简单的描述。所有这些说法要么都对，要么都错。因此，我认为：基本粒子和复合粒子之间的差异根本不存在，毫无疑问，这是过去50年中最重要的实验发现”。
图2.氘原于由一个原子核和周围的电子波构成，氘核由一个质子和一个中子构成，核子则由上夸克和下夸克构成。
基本粒子
在海森伯得出这样一个多少有点言过其实的见解之前，各种各样对基本粒子的不同定义早已广为流传。1926~1934年期间，海森伯、泡利和其他一些学者发展了量子场论。从这一理论观点看，自然界的基本组成部分不是粒子而是场；光子是一束电磁场能量，而电子则是称为电子场的一束能量。这样很自然就能把一个基本粒子定义为一束能量，其相应的场出现在基本场方程中。无论粒子或重或轻，抑稳定或不稳定，这都无关紧要。如果某粒子的场出现在场方程中，它就是基本粒子，反之，则不是基本粒子。
这样，如果知道了场方程，就知道了相应的基本粒子，这就是一个很好的定义方式。但是，在相当长的一段时期内，除了在子电动力学情况下的电子、正电子和光子理论而外，物理学家们并没有作这样的定义。20世纪50年代和60年代，大量的理论工作都集中在试图找到一些客观的方法来判断一个给定的粒子是基本的还是复合的，而那时对于基础理论却一无所知。然而在非相对论性量子力学中的某些情况下这倒是可行的，举例来说，可以证明氘核在它的大部分时间处于一个质子和一个中子的束缚态中，但这全然不是一个令人激动的成就一一长久以来，每个人都认为氘核是一种束缚态，这一论证仅仅取决于非相对论性量子力学和低能量中子-质子的散射特性，而关于核力或在高能态会发生什么情况却没有作出任何假设。很遗憾，这种理论不能拓展到基本粒子物理学中借此处理电子或其它粒子。
缺少纯经验法来识别复合粒子还是基本粒子，并不意味着这种识别没有实用价值。20世纪70年代，采用了普遍公认的被称为标准模型的基本粒子量子场论，这使得基本粒子和复合粒子的差异似乎变得清楚了：该理论描绘了夸克场（夸克是核子、超子、K介子等粒子的组成单元）、轻子场（电子、μ子和许多最近发现的τ子，连同相关类型的中微子都属轻子）以及光量子和11个相似粒子的场——其中8个是胶子，它们是强相互作用力的媒介（强场粒子），其作用是把夸克束缚在核子之中。另3个分别是W+，W-和Z°粒子，它们是弱相互作用力的媒介（弱场粒子），支配涉及中微子的放射性过程。
因此就目前情况来看，至少有这么些基本粒子:夸克、轻子和光子及其相似粒子、质子、中子以及二次世界大战以后发现的全部数以百计的强相互作用粒子最终都不能算作基本粒子。它们是夸克和胶子的复合粒子、这并不是因为能从其中碰撞出夸克和胶子（相信这是不可能的），而是因为理论上的需要。
标准模型中一个尚不清楚的方面就是给出基本粒子质量的机理。在这个模型的最简单形式中，这些质量与某些常数有关。后者决定了各种基本粒子与遍及整个宇宙的一种新的场相互作用强度。并且，这些常数只是关于这个理论的独立参量。要想有个比较满意的构想，自然就会要求所有这些常数应近似等于决定电子以及其它带电粒子与电磁场耦合强度的一个常数——电子的电荷量。在这种情况下，所有基本粒子的质量不是为零就是近似等于W+，W-和Z°粒子的质量。但是情况远非如此。几乎所有的基本粒子都比W+，W-和Z°粒子轻得多。尤其是电子，在所有大质量基本粒子中它最轻，它的质量只是z°粒子的4.8×10-5倍。没有人知道这个数值从何而来。就这一点而言，电子是所有基本粒子中最神秘的一个。
通过所有这一系列的发现，电子仍保持其基本粒子的地位，但现在认为它只是3个带电轻子（e-，μ-，τ-）中的1个。事实上，电子在正常寿命方面具有重要意义，而μ子和τ子却不能表明是3种粒子中最轻，从而也是稳定的。μ子和τ子质量中的附加能量可以在这些粒子衰变成电子和中微子时释放出来。由于衰变的原因，因此它们不会出现在我们周围的物质中。相反，电子衰变为一个μ子或一个τ子将违反能量守恒定律。然而原则上，我们可以通过合适的高能中微子对电子撞击使之变成一个μ子或一个τ子。没有迹象表明，电子在物理规律方面比轻子或夸克发挥更基本的作用。
量子场论和标准模型的成功使早期的电子概念出现了一线生机。1928年狄拉克在他关于相对论量子力学的名著中作出结论，认为电子必须具有等于1/2原子物理自然单位的某个角动量或自旋。实际上早在几年前就发现电子具有1/2自旋，并感到不可思议。因此，这一预言可以看作是一个巨大的成功。
狄拉克关于电子自旋的理论在认识电子方面向前迈进了一大步。狄拉克的分析并不以电子的任何特殊性质为依据，而是把它假设为一个基本粒子。狄拉克这一常规的猜测意味着必须采用薛定谔非相对论波动力学的相对论推广来描述电子。
正如狄拉克所指出的，如果一个基本粒子的自旋不为1/2，那么必将陷入负几率的困境。因此，从狄拉克理论将得出结论“所有基本粒子必须具有1/2自旋”。但是，现在我们所知道的一些其他粒子像W+，W-和Z°（还有静质量为零的粒子，如光子和胶子）看来似乎完全像电子一样是基本粒子，但是它们的自旋却等于1而并非1/2。狄拉克理论的困难在于相对论量子力学没有必要像波动力学的相对论性推广那样使之公式化:量子场论给出了更一般的处理方法，它允许存在任何自旋的基本粒子。
最终的答案
标准模型的成功也许结束了识别基本粒子的历史。自从20世纪70年代后期起，我们对量子场论的理解进入了另一个层次。我们开始认识到不论是否真正的基本粒子。均可采用称为有效量子场论中的场在足够低的能态下来描述粒子。例如，即使核子和π介子场不出现在标准模型中，我们仍可以运用π介子和核子的场（而不是夸克和胶子的场）其有效量子场理论来计算涉及低能态π介子和核子的反应速率。在这个场理论中，π介子和核子是作为基本粒子出现的、而原子核却不是。当运用这个场理论时，我们只涉及相对论性量子理论的一般原则以及任何一个相关的对称性。实际上，我们没有作任何关于基本物理结构的假设。
图3. 通过研究真空克鲁克斯管中的阳极射线。汤姆逊得出结论:该射线实际上是由一束带电粒子流形成的。
就这一点来看，我们仅可说夸克和胶子，还有光子、W+、W-、Z°、电子以及其它轻子比核子和π介子更基本。因为它们的场出现在这一理论中，标准模型理论适用的能量范围要比只能在低能态描述核子和π介子的有效场理论其能量范围广泛得多。我们不可能获取任何关于夸克和胶子或者即使是电子本身基本性质的最终结论。也许标准模型本身也只能算是一个有效量子场理论，它可以作为一些更基本理论的一种近似。关于这些更基本的理论，将会在能比现代加速器所能获取的能量大很多时，才可能被揭示，也许这些理论完全不涉及夸克和轻子场。
例如，关于标准模型的夸克、电子以及其它粒子很可能本身就是更基本粒子的复合体。识别这些粒子的一个办法就是在测量时（比如，利用其自旋产生的磁场强度进行测量）关注这些粒子的大小。当然粒子具有一定的大小并不一定是非基本粒子的标志。举例说，在今天看来作为标准模型一部分的量子电动力学中，电子是一个基本粒子，不过在它周围环绕着一层由短寿命的光子和正负电子对构成的云层。这就造成了电子尺寸有限地弥散，重要的是对有限大小的电子进行测量，其结果是否等于在量子电动力学中计算的结果。到目前为止，看来是这么回事，实验表明，电子的磁场强度为1.001159652188（4）自然原子单位，而量子电动力学给出的数值为1.00115965214（3）。这一惊人的一致表明。如果电子是复合粒子，那么包括其结合能在内的全部能量要比当今高能物理实验所能探测到的任何能量都要大得多。
至于哪些粒子是基本的，只有在我们掌握了关于力和物质的最终理论后才能给出最终的答案。当我们有了这样一个理论的时候，也许会发现物理学的基本结构根本就不是粒子，许多理论物理学家认为，基本理论是类似于超弦理论的一种东西。在这一理论中电子、夸克等等只不过是弦上各种不同的低频振动模式。从超弦理论的观点来看，电磁场和电子场这样的场不是基本的；只能用来近似地描述现象，并且只有在能量足够低以致不能激发弦的高频振动模式时才有效。看来，原则上不可能识别出一组真正基本的弦，因为按照最近的认识，不同类型弦的各种弦理论实际上是等价的。
总而言之，物理学的任务不是要去回答自然界有关的确定问题，比如，确定哪些粒子是基本的。我们事先并不知道有些什么问题会提出。通常是直到我们离答案不远的时候，才能找到问题之所在。
（Nature，Vol. 386/1997年3月20日）
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* 本文作者S·温伯格系1979年诺贝尔物理奖获得者之一。现为得克萨斯大学物理系教授，通讯地址为: University of Texas, Austin, Texas 78712. USA，本文选自《什么是基本粒子》一书。