杂乱无章中的规律

杂乱无章中的规律

气泡室、照相乳胶及火花室等其它现代技术彼此互相补充，人们用各种巧妙的办法把它们结合起来，以积累有关基本粒子的实验信息。

这样获得的数据量可达到原子能的数量级，把这些数据进行分类和系统化，则显然是粒子物理学的任务了。任务虽然明确了，但完成任务的方法却还不清楚。费米和杨振宁在1949年曾提出过一种由两种基本成份：质子和中子（及其反粒子）组成的一种复合模型。随着奇异数的发现，需要的客体变成三个了。从1955年开始，S.坂田和他的学生［M.池田（M.Ikeda），S.小川（S.Ogawa）和Y.大贯（Y.Ohnuki）］以中子、质子、Λ及其反粒子为基础，经过特别的数学处理，发展了一种模型，但他们的工作结果和事实不相符合。随着实验结果积累到一定的时候，盖曼和内曼各自分头找到了解决办法。盖曼于1961年1月20日发表了他的论文的最初版本。内曼并不知道盖曼的工作，但也得出了几乎相同的结论，并在1961年2月13日提出了供发表的论文。

以色列物理学家尤瓦尔·内曼（1925年生）曾是以色列军队中的一个出色的军官，在一段和平时期内，他被分派到驻伦敦大使馆中担任武官。他决定在大使馆的业余时间里学习物理和数学。巴基斯坦的物理学家艾布路斯·萨拉姆（Ablus Salam）当时正在伦敦皇家学院执教，内曼就成了他的学生。内曼是个杰出的数学家，他很快就发现，在实验已经证明的基本粒子族和群论这一数学理论之间，存在着一定的关系，特别是强子和叫做SU3的一个特殊群有关。这里，我提到了一些名称而未对此作任何详细的说明，因为我们只要指出，利用这个数学技巧的帮助，就有可能象门捷列夫周期表那样，把基本粒子分成各个系，人们就可以理解了。人们观察到的规则是如此之清楚，使得我们能预言遗漏了哪些粒子，而这些预言后来都被实验所证实了。当年门捷列夫周期表也出现过相同的情况，这位化学家对周期表并未能从理论上作出解释，但他对他的推断却是深信不移的。对门捷列夫周期系进行解释，需要对原子物理学有较透彻的了解，而为了发展原子物理学，从那时起差不多化了60年左右的时间。在一定程度上，SU3分类也是这种情况。但是，我们也许能通过夸克对SU3作出比较接近客观实际的解释。

盖曼和乔治·茨威格在同一时间里提出了夸克假设，他们通过假设存在一个叫做夸克的子单元，就可得出SU3的抽象数学结果。取夸克这样一个名字，表明盖曼对詹姆士·乔伊斯（James Joyce）的《芬尼根的彻夜祭》非常熟悉，这本书中曾用过这个名字。人们迄今为止还从未看到过自由夸克，但它们具有某些特性，使人们很容易辨认它——例如，其电荷为电子或质子电荷的三分之一或三分之二。物理学家们一直在到处仔细地寻找夸克，从月球岩石到宇宙射线簇，但都未能成功。不过，除了SU3外，夸克假设还能解释许多事情——例如质量、磁矩、散射截面等等——所以它显得非常重要。即使夸克假设只不过是粒子物理学发展中的一个暂时阶段，大家也许会记起，象玻尔模型理论等这些暂时步骤，也能起到很大的推动作用。

理论家们已经找出了人们观察不到自由夸克的原因了。在经典物理学中，不存在自由磁极，当我们切割磁铁时，我们得到的是两个完整的磁铁，而不是两个独立的磁极，这和夸克的情况有些类似。例如，假定一个π介子含有一个夸克和一个反夸克，如果我们想把它分开时，我们所用的能量就会生成一个新的夸克-反夸克对，在它们彼此分离的一瞬间，它们即把它们自己分别附在原来的反夸克和夸克上。它们产生两个π介子，却没有自由夸克。不管存在这一困难，最初的夸克假设仍预言存在三种夸克及它们的反夸克，即上、下和奇夸克，分别叫做u、d和s，它们和三个守恒的量：重子数、电荷和奇异数密切相关。所谓守恒，即意味着任何反应都不能改变这三个量，在代表一个自然现象的等式两侧的这三个量，必须相等。弱相互作用可以改变奇异数，但却不能改变另外两个量。

夸克假设是极其有吸引力的，但近年来，这个假设却开始显得有些混乱了。首先，发现夸克必须有个叫做色的附加量子数，这个量子数可取三个值。之所以需要色，是为了防止在量子力学的结构中出现可怕的缺口，因为若没有这个色，自旋、统计量（见第171页）之间的关系和其它一些重要的原则就都不能成立了。这样，夸克则应当有九种，而且每种夸克应当有个反夸克。但是问题并未到此为止。

1972年，三位年轻的理论家谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow），T.伊利奥波洛斯（T.Iliopoulos）和卢西恩·梅安尼（Luciano Maiani）注意到，由于存在着具有某些特别性质的第四种夸克，使一些没有出现过的现象受到禁止，他们并对此进行了详细的说明。关于第四种夸克的论据是非常间接的，但若它真要是成立的话，则是相当精确的。两年后，在几周内发现了一整族新的、最引人注目的粒子，这些粒子均可用第四种夸克加以解释，因此有力地证明了第四种夸克的存在。

丁肇中曾领导过该实验进展的一个方面。他是他的中国父母访问美国时，于1936年在密执安州的安阿伯早产的。在他两个月时，他的家庭带着这个襁褓中的婴儿回到了中国，他在中国一直待到20岁，然后回到美国完成他在密执安大学的教育。丁肇中对他称为重光子的粒子特别感兴趣，这种粒子会在电子-正电子对中发生衰变。丁肇中在质子或铍的高能碰撞产物中寻找这些粒子。这种碰撞会产生各种粒子，但产生这种电子-正电子对的机会却非常少——每106次碰撞中只会产生一个。物理学家把能够借以辨认粒子的可见径迹叫做特征径迹，这种粒子的径迹形状有很明显的特征，因而很难产生假象。丁肇中和他的同事们发现这个要找的粒子已经有好几个月的时间了，但他们一直秘而不宣，以便堵塞一切可能产生假象的漏洞。在他们最后准备发表他们的实验结果时，却出现了意外的情况。

在加利福尼亚的斯坦福大学，SLAC（斯坦福直线加速器）的一组物理学家和伯克利的一组物理学家相互合作，同时在观察同一种粒子，并且也已经有一些时候了。不过，他们是用不同的反应来产生这种粒子的：电子和正电子对撞方法。他们发现了一种巧妙的方法，即把电子和正电子沿相反方向加速，并互相向着对方撞击（两个粒子的质心保持静止），这就有可能实现上述碰撞了。这样的对撞束加速器是用SLAC的大型直线加速器作为注入器的。伯顿·里彻特（Burton Richter）是推动这个项目的主要人物之一，在它建成时，也是它的主要用户之一。SLAC的物理学家注意到，这种电子-正电子对撞产生的强子比原来估计的要多。选择碰撞粒子的能量，在一定的时候这种现象有许多完全未预料到的成份，最后，将一个尖锐的共振峰位置定出，此共振对应于一个粒子，该粒子的寿命相对于其能量来说是异乎寻常地长。这个情况发生在丁肇中最后确定“他”的粒子的日子里，很明显，它们是相同的。1974年12月2日出版的《物理评论快报》上登出了这些发现者寄来的两封信。遗憾的是，他们未能对新粒子的命名取得一致意见，丁肇中叫它J粒子，斯坦福的物理学家叫它ψ粒子，为了避免重名起见，我们叫它ψ。同一期的《物理评论快报》还登出了另一封信，这封信对ψ作出了证实和精密的测量，这是在意大利的弗拉斯卡蒂用另一个电子-正电子对撞束装置获得的。罗马的物理学家曾在电话中被告知这一发现，他们的机器的能量在形成ψ的能量阈值以下，但他们把这个机器推到更高的能量，使它张紧到其极限上，从而成功地超出了形成ψ所要的阈能。(https://www.daowen.com)

ψ的特别之处在于它的质量很大——3098兆电子伏特——和10-28秒的寿命。这个时间是很短的，但却比粒子按强相互作用衰变时，根据现有能量推算出的寿命至少要长1000倍。ψ的相对稳定性之谜，类似于奇异粒子的相对稳定性之谜。事实上，其原因也是类似的。ψ的相对稳定性是由于它的一个新的量子数——粲，这个量子数在强相互作用中是守恒的。但一个新的量子数要求有种新的夸克，嗨，你瞧！这正是格拉肖和他的同事们所假设的那种夸克。原来的ψ后面很快就跟上了一整族的粲夸克。所以夸克至少有四种。我之所以说至少有四种，是因为莱德曼和其他一些人在1977年所做的实验，看来已经要求有另一种夸克了。也许随着我们不断加大能量，会出现更多的量子数。如果我们要想得到一种闭合的理论，这种前景看来就不是非常令人愉快的了。

夸克是强相互作用粒子（强子）的基本成份。但是，仅服从于电磁作用和弱相互作用的粒子（轻子），看来也在不断增加。开始时，只有两类轻子：电子和中微子。在30年代后期，增加了μ子。后来发现，中微子有两种：一种和电子有关，另一种和μ子有关。它们彼此不同，是因为它们产生不同的反应：一个生成电子，一个生成μ子。但是，事情还不止于此。有些实验表明，存在一些更重的带电轻子，这些轻子甚至可能有些其它中微子相伴随。马丁·L·珀尔（Martin L.Perl）及其合作者在SLAC看到了这种轻子，把它叫做τ，即τριτον，这是第三种轻子[2]。

从理论角度来看，人们企图发展一些综合性理论，以把弱相互作用和电磁相互作用，可能的话甚至把强相互作用一起统一起来。这些理论是要在更高一级上实现综合，就象电磁学把电和磁统一起来一样。史蒂文·温伯格和艾布路斯·萨拉姆各自独立地形成了一种可以为人们所接受的理论，这个理论不是唯一的，也尚未经证明，但它已表现出一些预言能力，并能以惊人的方式协调几个最新的发现。温伯格是哈佛大学的一位红头发的理论物理学教授，他还把他的超人智力用于研究中世纪历史。我们已经介绍过萨拉姆了，他是伦敦的一位巴基斯坦教授，他现在还在意大利的的里雅斯特指导一个理论物理中心，它主要使不发达国家的科学家受益（图12.12）。

整个粒子物理学领域就是这样地不断运动着，有时会突然出现一些伟大的发现。例如，目前正在寻找萨拉姆-温伯格理论所预言的一些非常重的粒子（80GeV/c2）就正是这种情况。

我不打算再阐述粒子物理学了，而要转向当代物理学的其它领域，尽管这些领域和我的工作很不相关。