夸克世界中的一个灿烂发现

3位美国科学家戴维·格罗斯、戴维·波利策和弗兰克·维尔切克，因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象，荣获2004年度诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖评选委员会称颂这3位粒子物理学家的发现为：“夸克世界中的一个灿烂发现”。

　 　戴维·格罗斯1941年出生于美国首都华盛顿，1966年在著名的加利福尼亚大学伯克利分校获物理学博士学位。此后，他曾在哈佛大学和普林斯顿大学工 作，并于1972年被普林斯顿大学聘为教授。1977年1月，格罗斯来到风景秀丽的加利福尼亚海滨，担任加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的卡夫利理论物理研究 所所长。在从事物理学研究的几十年间，他曾获美国国家科学院、美国物理学会、美国科学促进会和一些私人基金会的多项科学大奖。

　　戴维·波利策于1974年获哈佛大学物理学博士学位，目前在加利福尼亚理工学院物理系担任教授，同时也是该校粒子物理研究领域的学术带头人之一。加州理工学院坐落于帕萨迪纳美丽的圣盖伯利山脚下，是美国声名显赫的名牌私立大学之一。

　 　弗兰克·维尔切克1951年出生在纽约的皇后区，在芝加哥大学物理系本科毕业后，前往普林斯顿大学继续深造。1988年，他前往美国西海岸的加利福尼亚 大学圣巴巴拉分校担任教授；2000年秋天，他重回东海岸，担任麻省理工学院的物理系教授。他被誉为美国最杰出的理论物理科学家之一。
　
对微观世界的孜孜探索
　
　 　自远古以来，人们就在探讨物质由什么组成，有没有共同的基本单元。19世纪末，人们仍认为这种共同的单元就是原子；直到1896年放射性被发现和 1897年电子被发现之后，人类对物质构成的认识才前进了一大步。1932年中子的发现，使人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成的。当时人们把 这3种粒子和光子称为基本粒子，20世纪40年代以来，研究它们的性质和运动规律，逐渐发展成为物理科学中的一门独立学科——粒子物理学。

　　诺贝尔物理学奖，特别青睐粒子物理学这门探索微观世界的物理学科，在104年间共23次对39人授奖，使其成为物理学中获奖最多的学科。

　　英国人汤姆森最先打开通向粒子物理学的大门：1897年，通过研究气体放电现象，他发现了第一个基本粒子——电子，因而荣获了1906年诺贝尔物理学奖。

　　1928年，印度人拉曼发现，物质被单一频率的光束照明时，在与原来方向直角射出的光束中，含有表明该物质特性的其他频率，这是由光与物质之间的能量交换引起的。这个被称为“拉曼效应”的发现，成为研究分子结构和化学分析的有力工具，获得了1930年奖。

　　英国人威尔逊1912年发明了探测粒子的重要实验装置——云雾室，云雾室能显示出电子穿过空气的径迹，于1927年获奖。此后，众多科学家使用云雾室获得了粒子物理学的重要发现。

　　英国人布莱克特1921～1931年改云雾室为云雾照相术，成为探测宇宙辐射的自动仪，从而导致了核物理领域和宇宙线方面的一系列发现。这位宇宙线学派的创立者，获得了1948年奖。

　　奥地利裔美国人赫斯1911年通过实验发现了宇宙线粒子，获1936年奖。宇宙射线的研究，导致了后来对高能粒子加速器的研制。

　　美国人安德森1932年使用云雾室，从宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子，第一次证实自然界确有反粒子存在，与赫斯同享1936年奖。

　　日本人汤川秀树1935年提出了传递核力的介子理论，并预言质量约为电子质量200倍的粒子——介子的存在，获1949年奖。

　　英国人鲍威尔，1947年根据汤川秀树的预言，使用自创的照相乳胶记录法，从宇宙射线中发现π介子。这位被誉为“粒子物理之父”的学者荣获了1950年奖。

　　π介子从预言到发现，标志着人类对物质的认识又向前跨进了一大步，即从认识原子核到认识基本粒子的领域。

　 　美籍华人李政道和杨振宁，在合作研究的课题中，提出弱相互作用下的宇称不守恒原理，彻底推翻了曾被认为是物理学中最牢固、不可动摇的法则之一——宇称守 恒定律，从而导致在粒子物理学方面的一系列重大发现。这两位卓越的炎黄子孙，荣获1957年奖，成为首次荣膺诺贝尔奖的中华儿女。

　　意大利裔美国人塞格雷与美国人张伯伦合作，于1955年用高能质子同步稳相加速器，发现了质子的反粒子——反质子，获1959年奖。

　　美国人格拉塞1952年发明了能精确测定亚原子粒子轨迹的气泡室，为基本粒子的研究提供了新的技术手段，获1960年奖。

　　美国人阿尔瓦雷斯1954年改进了气泡室和基本粒子数据分析技术，获1968年奖。

　　美国人霍夫斯塔特1955～1958年用直线加速器探测原子核结构，发现了核子——质子和中子的中心，都有一个带正电的核心，被两层π介子云所围绕，质子的两层云都带正电，而中子的内层带负电荷，因而使整个粒子的净电荷为零。这位核子的发现者获1961年奖。

　　美国人盖尔曼1961年效仿佛教的“八正道”，提出粒子分类的“八重法”，把全部粒子划归为简单有序的族类系统，形成粒子系统的“元素周期表”，并提出关于强子结构的夸克模型，获1969年奖。

　　美籍华人丁肇中和美国人里克特于1974年分别发现了大质量的电中性介子——J/φ粒子，并证明它是具有“粲”（charm）特性的第4种夸克。粲夸克的发现者荣获了1976年奖。

　 　美国人克罗宁和菲奇1964年在实验中发现复合宇称不守恒现象，这一发现打破了传统粒子物理学中一些“不可违背的”基本规律，导致粒子物理学中一次重大 变革，并在天体物理学中引起重大反响，可用于解释宇宙最早期的粒子生成，这个长期没有解决的根本问题。这两位中性κ介子衰变中的宇称不守恒的发现者，获 1980年奖。

　　法国人夏帕克1968年发明了多丝正比室，这个装置是高能物理实验中常用的探测器之一，促进了粒子物理学实验的发展，获1992年奖。

　 　荣获1988年奖的3位美国人莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格合作，于1962年发现了第二种类型的中微子——μ子型中微子，并证实了轻子的双谱线结构，获 1988年奖。这些发现是人类对微观世界探索的一个重要里程碑：轻子可以分为两代；世界万物均由轻子和夸克组成，它们之间的相互作用是由媒介子传递的。

　　荣获1995年奖的2位美国人莱因斯和佩尔的发现，使人类对物质深层内部结构的了解又前进了一步。他们的发现表明，自然界存在着3代夸克和轻子。

　 　美国人莱因斯1955年在实验中首次发现中微子，证实了泡利1930年的预言。中微子不受强相互作用如电磁相互作用的影响，因而能轻而易举地穿透大量物质。美国人佩尔1975年通过实验发现了重轻子——τ轻子：一种带负电的基本粒子，比电子重3700倍。这两位粒子物理学家荣获了1995年奖。

　　美国人费曼和施温格，日本人朝永振一郎20世纪40～50年代分别发展了量子电动力学理论，对基本粒子物理学产生了深远影响，解决了统一场理论形成过程中的某些问题，获1965年奖。

　 　美国人格拉肖和温伯格，巴基斯坦人萨拉姆，于1967年分别提出弱相互作用与电磁相互作用统一的理论及模型，获1979年奖。他们的研究成果为实现爱因 斯坦设想的包括自然界中存在的四种基本力（引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力）的统一场理论，迈出了重要的一步。

　　荷兰人范德 梅尔与意大利人鲁比亚分别于60年代末和1976年提出“随机冷却”的设想，用于制造高能物理加速器。根据他们的设想制造的大型实验装置，于1984年1 月发现了传递场粒子Ｗ±和Z°粒子的发现及其性质，最终确定了弱电统一理论的正确性。范德梅尔与鲁比亚的设想是对高能物理学的一大贡献，获1984年奖。

　 　荷兰人韦尔特曼和他的学生霍夫特因提出一个适用于新型规范理论的方案，阐明了20世纪70年代初提出的弱电统一理论的量子结构，获1999年奖。韦尔特 曼60年代末发明了“Schoonchip”计算机程序，对采用量子场论计算物理量时所用的表达式进行了代数简化。霍夫特1969年提出一种整化非阿贝尔 规范场论的新途径。此后他们又共同制定了一套计算方法。弱电非阿贝尔规范理论已成为一种功能性的理论工具，它使粒子的物理量精确计算成为可能。
　
物质世界最小粒子
　
　　构成自然界的最小粒子是什么？这些粒子如何构成人们所看到的万事万物？自然界存在着什么样的作用力，它们之间是如何相互作用的？这些问题一直困扰20世纪的物理学家，并仍然对那些在大型粒子加速器上工作的实验物理学家和理论物理学家构成挑战。

　　20世纪前叶，放射性的发现和研究以及原子物理的相继发展，产生了强作用力和弱作用力的概念。简言之，强作用力使构成原子核的粒子结合在一起，弱作用力则使之发生放射性衰变。

　 　诺贝尔物理学奖的颁发，让人们回忆起粒子物理学发展的黄金时代，这个时代从第二次世界大战结束到20世纪80年代为止。在这个粒子物理学时代，物理学家 们不停地在粒子加速器和黑板上倾泄激情，他们终于认识到自然除重力之外还有3种基本力，即与光和化学有关的电磁力，与辐射衰变有关的弱作用力和将原子核组 合在一起的强作用力。

　　美国物理学家弗里德曼、肯德尔和加拿大物理学家泰勒，于1957年成立了斯坦福直线加速中心和麻省理工学院联合实验小组，用20吉电子伏的加速器，进行深度非弹性电子——质子散射实验，发现质子里面有点伏结构，即硬核——核子内部的夸克。这3位学者因发现夸克的存 在，荣获1990年诺贝尔物理学奖。他们的研究告诉人们，物质由原子构成，原子由原子核和电子构成，原子核由质子和中子构成，中子和质子则由夸克所构成。夸克是物质世界更基本的粒子，也就是说，夸克是物质世界、包括人类自身最小的构成元素。

　　然而，当人们试图打开质子或中子时，却从未发 现单个、自由的夸克，只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态，通常情况下，夸克总是被约束在质子和中子内部。这是目前科学研究无法完全解释的问题。 只有了解夸克之间的相互作用力的性质，才有可能得到单个的自由夸克，从而解决这个难题。

　　人们从来没有看见过单独存在的夸克，物理学家推测将夸克结合在一起的力一定非常强大。因此，他们也将强作用力称为“色力”，认为它是原子核内具有统治地位的力量。但与此同时，粒子加速器上的实验，却显示质子中的夸克粒子间，好像并没有相互作用力。

　　这是怎么回事？

　　直到20世纪70年代初期，物理学家仍在黑暗中探索强相互作用力，他们面临着一个令人头痛的问题，即用于研究弱作用力的无限应对技术不能应用于强作用力。

　 　1973年，3位获奖者提出的“渐近自由”理论，对此提供了解释，让这些问题应刃而解。这3位物理学家在《物理评论快报》上发表文章，用数学模型解释了 夸克的上述神秘行为。他们的这个发现，表面上看起来是完全矛盾的，在夸克之间距离很近的时候，相互作用会变弱，这与客观的相互吸引力是完全不同的。3位获 奖者在20世纪70年代提出的理论认为，强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大，因此没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克会永久地被结合在一起，因此不可能找到单个的夸克。同样根据“渐近自由”理论，强作用力会随夸克间距离变小而减弱，这就意味着约束在质子等内部的夸克，在彼此距离足够小时，将近乎自由地进行运动。
　
让荒谬的世界
变成有序的世界

　 　1973年，正在普林斯顿大学攻读博士学位的维尔切克和导师格罗斯共同发表了一篇论文，提出强作用理论中的渐近自由现象。不久他们得知，正在哈佛大学攻读博士学位的波利策同年独立发表的一篇论文也提出了同样的理论。美国麻省理工学院的粒子物理学家罗伯特·贾弗博士对3位获奖者的成果一言以赞之：两篇论文 让“荒谬的世界”变成了“有序的世界”。

　　3位获奖者用完美的数学公式提出一种崭新理论。乍一看，他们的理论是完全矛盾的，因为对他们 的数学结果的解释表明，夸克间的距离越近，强作用力越弱。当夸克间彼此非常接近时，强作用力是如此之弱，以至于它们的行为完全就像自由粒子。物理学家们将这种现象称为“渐近自由”，即渐近不缚性。反过来也是正确的，即当夸克间的距离越大时，强作用力就越强。这种特性可用橡皮带的性质比喻，即橡皮带拉得越长，作用力就越强。

　　渐近自由理论解释了质子和中子的成分夸克，为什么从来都不会分离开来。这个发现导致了一个全新的理论——量子色动力学的诞生。

　　量子色动力学是描述夸克间的相互作用的物理学学科，认为与电子带有电荷类似，夸克和胶子（一种传导强作用力的基本粒子）带有色荷，基于色荷的色力或者强作用力，具有比电磁力更为复杂的作用方式和更为奇特的现象，“渐近自由”就是一个明显的例子。
　
粒子物理的标准模型
　
　 　夸克渐近自由现象的发现，确立了粒子物理的标准模型。非阿贝尔规范场的渐近自由性质，使得物理学家可以对自然界多种作用力有一个统一的描述方式。标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象，但它并没有包括重力。在量子色动学家的帮助下，物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的 情况下才会表现为自由粒子。在质子和中子中，夸克总像“三胞胎”一样出现。

　　通过科学家的不懈努力，标准模型已经具备了坚实的理论与实 验支持，是惟一能够兼顾现代物理学的两大支柱——爱因斯坦相对论和量子力学的理论模式。由于3位获奖者的发现，物理学家更接近一个伟大梦想——为强相互作 用力、电磁相互作用力、弱相互作用力、万有引力构建一个统一的理论，一个适用于所有物质的理论。
　
21世纪——打开自由夸克
　
　　通过了解夸克间相互作用力的性质，就有可能找到打开自由夸克的办法。如果能够合理利用夸克内部的强作用能，那么人类就有可能获得比核能还要大得多的能量。因此，打开自由夸克的研究有巨大的应用能力，将成为21世纪物理学的热门课题。

　 　当人们打开物质的每一个层次的时候，都有很大的应用价值。例如从分子到原子，从原子到原子核。特别是原子核，人类可以利用核能。假如人类能够看到这个自由夸克，人类就可以合理地利用夸克里面的强作用能，而那个能量比核能可能还要大得多。如果有一天，人类能够充分认识基本粒子及相互的作用力并掌握和利用“ 粒子能”，那么这种利用的效果将是空前的。

　　此外，利用粒子物理还可以进行有关令人神往的宇宙学的研究，探寻宇宙早期的演化。宇宙刚刚形成的瞬间，只是以基本粒子状态存在，研究夸克等基本粒子，将可以帮助科学家回溯宇宙的初始阶段，从而了解宇宙由过去到现在的演化历程