电荷为什么会守恒？电荷有分数吗？ 纠结的夸克啊
文/袁玉刚 图/来自互联网
现在的人们几乎天天离不开电。电是电子的定向移动。电子带的是负电荷；质子带的是正电荷。科学家们规定：电子和质子带的电荷为1。正、负电荷相互抵消，所以，原子不带电。
电荷是什么？
电荷（electric charge）即带正负电的基本粒子，带正电的粒子叫正电荷（表示符号为“+”），带负电的粒子叫负电荷（表示符号为“﹣”）。宇宙电荷守恒，所有电荷的代数和不会随着时间的演进而改变。同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。电子、质子以及一切带电体的电量都不因运动变化。电荷具有量子性，任何电荷都是电子电荷e的整数倍 ，e＝1.60217733×10-19库。质子与电子的电量绝对值完全相等。
图1 电荷
电荷守恒有两种解释：1、正负粒子数守恒，正负粒子的质量不守恒。就像质子和电子。2、正负粒子数守恒，正负粒子的质量也守恒。就像质子和负质子。
电荷为什么守恒？
大爆炸宇宙创生理论认为，基本粒子是从能量中成对地产生的，所以电荷守恒。这是对电荷守恒的第二种解释。于是，每一种带电粒子都有一个反粒子。推而广之，应该有反电子、反质子、反中子、反原子、反地球、反人类、反宇宙等等。以致于科学家们纷纷质疑自然界为什么没有反物质？反物质哪里去了？争相研究、寻找、制造反物质。
如果按照电荷守恒的第一种解释来思考呢？质子和电子数守恒就足够了，不需要质量守恒。也就是说，宇宙诞生之初，形成大量稳定的原子，其余不稳定的粒子迅速衰变了。原子在恒星里聚变衍生出现在的宇宙。这就解释了为何宇宙由物质组成而没有反物质的影子。
电荷能是分数吗?
质子和电子是构成原子的基本粒子。科学家认为，质子和电子又由更小的粒子夸克组成。也就是说，夸克是物质的基本组成部分，构成了我们周围的一切。夸克不能再继续分割为更小的结构了。
1964年，加州理工学院的理论物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）首次提出了夸克模型。1969年，盖尔曼获得诺贝尔物理学奖。
夸克的电荷不是整数1，而是分数。夸克共有六种类型，即六种“味”，分别是上、下、粲、奇、底和顶。
2 粒子
上、粲及顶夸克这三种“上型夸克”的电荷为+2?3，而下、奇及底夸克这三种“下型夸克”）的则为?1?3。上型反夸克的电荷为?2?3，而下型反夸克的电荷则为+1?3。所有强子的电荷均为整数+1。比如质子就是由两个上夸克、一个下夸克（uud）组成的，所以电荷为+1；而中子就是由一个上夸克、两个下夸克（udd）组成的，所以电荷为0。
图3 质子、中子电荷
多么美妙的数学理论啊！可惜，尽管1973年在斯坦福直线加速器中心（SLAC国家加速器实验室）进行的实验证实了夸克的存在，但只有在实验室中，以粒子加速器将电子或质子加速，在高速下碰撞，同时以极精密的仪器进行测量，才能推论出夸克的存在。科学家们说这叫“夸克禁闭”。
奇怪的是，1994年4月26日发现于美国费米实验室的顶夸克质量达到171GeV(与锇原子相当)，远远大于质子的质量（938MeV），电荷为+2/3，寿命极短，在1的负24次方秒内衰变成电子（e）、中微子和b夸克或者衰变为μ子（μ）、中微子和b夸克。
图4 夸克
是“夸克禁闭”还是根本就没有夸克？
众所周知，标准模型里的61个粒子绝大部分是在大型对撞机上撞出来的。61个粒子都有自转，除了32种夸克，其余粒子的电荷都是1，都是能够独立存在的粒子。唯有夸克神龙见首不见尾。
大型对撞机上撞出来的产物都应该是原来粒子的碎片，不外乎增加了一些质量或者减少了一些质量。只有那些产生了自转的碎片才能被清楚地检测到，称为新粒子。对撞机能量越大，产生的新粒子就越多，质量范围就越大。一些与理论比较接近的新粒子就被一一找出来了。
但是，夸克并没有被找出来。只是被推论出应该有。而且，新发现的粒子带有的电荷都是整数。意味着只要是旋转着的带电新粒子都带有整数电荷。分数电荷是不可想象的。一个旋转着的带电粒子怎么可能一分为三？“渐进自由”可能已经宣布了夸克的终结。带电粒子夸克之间竟然离得越近，作用力越小；离得越远，作用力越大。以此解释“夸克禁闭”，违反了库仑定律。
图5 夸克禁闭
科学允许假设，科学需要数学，科学也能够推演。但是，把数学计算出来的结果不加取舍地套用在物理上，难免出现大的偏差，甚至谬误。
夸克理论是美妙的。但现实是残酷的。举全世界之力没有找到夸克就足以说明夸克的虚幻，应该转换思路，改弦易辙。也许，夸克不是粒子，而是粒子里的两个层次，即旋涡中心质量和外围质量。当然，边缘还有质量，那是胶子的事了。夸克被困在旋涡里，不能像质子、电子那样形成次级小旋涡，质量无法集聚成球形，只能显示部分特性。
质子可能无法再分裂成次级粒子了。科学家们预言的质子放射性衰变为中性π介子和正电子的现象至今没有被证实。于是计算出质子的半衰期至少为10的35次方年。即使CERN实验室的科学家利用LHC对撞机以超快速度让质子与质子撞击到一起，产生约10亿度的高温，也只是重现了一次模拟宇宙大爆炸，并且撞出了一些转瞬即逝的新粒子而已，根本就没有撞出个夸克来。
夸克，跨科了？
参考文献：袁玉刚著《旋涡里的宇宙》，甘肃科技出版社2008年出版