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2014-6-16 11:20
冲动是魔鬼:夸克模型诞生记

摘要 : 1964年一月,两篇关于强子分类的科学论文几乎同时问世:一篇出自着名理论物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)之手,题目为“重子和介子的示意性模型”,于1月4日寄达《物理快报》(Physics Letters)编辑 ...

习斋2014-6-16 11:204170
原作者: 邢志忠/来自: 科学网
  1964年一月,两篇关于强子分类的科学论文几乎同时问世:一篇出自着名理论物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)之手,题目为“重子和介子的示意性模型”,于1月4日寄达《物理快报》(Physics Letters)编辑部,2月1日正式发表;另一篇论文是由理查德·费曼(Richard Feynman)的博士研究生乔治·茨威格(George Zweig)在欧洲核子研究中心(CERN)访问期间完成的,题目为“强相互作用对称性及其破缺的SU(3)模型”,1月17日以CERN预印本的形式出现,但却从未正式发表。50年后的今天,当我们回顾这两篇催生了夸克模型的经典文献时,不能不为它们各自的命运感叹不已。


  茨威格在加州理工学院通过了博士学位论文答辩后,马上来到欧洲核子研究中心访问学习,并以最快的速度做出了上述关于强子结构的研究工作。他将组成强子并携带分数电荷的基本粒子戏称作纸牌中的“幺点”(ace),后者其实就是盖尔曼稍早几天提出的“夸克”(quark)粒子。按照CERN当时的规定,在那里工作的科学家应把他们的论文优先发表在欧洲的专业期刊;而年轻气盛的茨威格却坚持要将自己的研究成果投稿给美国的《物理评论》(Physical Review),为此他受到了来自CERN高层的强大压力。冲动是魔鬼,茨威格一气之下决定放弃发表那篇日后被证明无比重要的论文。整整半个世纪过去了,茨威格的论文依旧只是CERN的预印本,有记载的引用率不足200次,而他本人也早已离开了基本粒子物理学界。假如茨威格当年及时把自己的“幺点”想法发表在欧洲物理学会主办的期刊上,那么毫无疑问,他一定早已成为大物理学家了。一个鲜为人知的事实是,他的导师费曼后来曾经向诺贝尔奖评委会提名盖尔曼和茨威格,强调他们二人在1964年所做的工作值得荣获这一最高科学奖项,但最终结果却不了了之。


  与初出茅庐的茨威格相比,1964年的盖尔曼已经是一个享誉世界的中年物理学家了。作为茨威格的挂名导师之一,盖尔曼在1964年初独立地提出了核子是由夸克组成的束缚态的革命性思想。利用夸克的概念,盖尔曼能够轻而易举地解释强子的SU(3)对称性。考虑到夸克这种假想的基本粒子具有非常奇怪的、不易为人所接受的分数电荷,行事老道的盖尔曼并没有把他的论文投给美国的顶级物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters),因为他觉得苛刻的审稿人很可能会随便找个借口拒绝这篇稿子。他宁愿选择将论文直接投给欧洲物理学会主办的《物理快报》,因为后者的名气小一些,所以审稿门槛也低一些。结果盖尔曼的这篇不足两页纸、标志着夸克模型正式诞生的短文很快就在《物理快报》期刊上顺利发表了,迄今为止它已经被国际同行引用1700余次,成为该期刊有史以来所发表的最成功的论文之一。虽然盖尔曼荣获1969年的诺贝尔物理学奖主要是由于他率先在粒子物理学中引入了SU(3)对称性,但对于普罗大众而言他作为夸克之父的名声却无疑更加显赫。


  盖尔曼和茨威格在建立夸克模型之初只假设自然界存在三种夸克,它们被命名为上夸克、下夸克和奇异夸克。1964年8月,美国理论物理学家詹姆士·比约肯(James Bjorken)和谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)在《物理快报》发表论文,预言了第四种夸克的存在,并将它命名为“粲”夸克。10年之后,丁肇中和伯顿·里克特(Burton Richter)通过高能物理实验独立地发现了粲夸克。1977年,利昂·莱德曼(Leon Lederman)在美国费米实验室发现了第五种夸克,即“底”夸克。1995年,第六种夸克也在费米实验室被发现了,它就是标准模型中最重的基本粒子——“顶”夸克。

  值得一提的是,日本理论物理学家坂田昌一(Shoichi Sakata)早在1956年就提出了一个类似于夸克模型的假说,即着名的坂田模型,其基本组分是质子、中子和L重子。中国科学家也曾在上世纪60年代中期提出过“层子”模型,它的基本思想与夸克模型有相似之处,也在一定程度上符合毛泽东所坚持的物质是无限可分的哲学观点。据说格拉肖本人甚至在毛泽东逝世后提议将层子或夸克重新命名为“毛粒子”(maon),但却因其不严肃性而未被科学界采纳。如今绝大多数科学家早已放弃了物质无限可分的观点,理由其实很简单:既然在实验上根本无法制造出无限薄的“刀”,那么将物质无限“分割”下去的想法就不过是天方夜谭。

  本文已正式发表在《科学世界》2014年5月号。
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