禁閉中的夸克

理論物理學(xué)是對自然界各個層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動基本規(guī)律進(jìn)行理論探索和研究的學(xué)科。物理學(xué)基本理論的建立是一個需要長期積累的、艱苦的過程，它需要各種思維類型的科學(xué)工作者，特別是高素質(zhì)的優(yōu)秀人才相互合作、多方探索方可取得突破。而正確的理論一旦建立，常會出人意料地把許多表面上看起來互不相干的現(xiàn)象聯(lián)系起來，發(fā)揮理論的指導(dǎo)作用，帶動物理學(xué)、其他自然科學(xué)乃至技術(shù)科學(xué)的發(fā)展。

本世紀(jì)物理學(xué)發(fā)生了兩次重要革命：相對論和量子力學(xué)。這些開創(chuàng)性研究最基本的目的是尋求自然界物質(zhì)運(yùn)動的統(tǒng)一規(guī)律。從物理學(xué)誕生之日始，這一目的就沒有改變過。牛頓的引力論和物體運(yùn)動的力學(xué)規(guī)律將天體的運(yùn)動與日常生活中常常見到的諸如蘋果落地的運(yùn)動統(tǒng)一起來；麥克斯韋的電磁理論又將電與磁兩類不同的現(xiàn)象統(tǒng)一起來；愛因斯坦花費(fèi)了他的后半生尋求引力與電磁相互作用的統(tǒng)一理論，但沒有成功；電磁相互作用與弱相互作用的統(tǒng)一理論是60年代末提出的，由此給出的粒子物理中的標(biāo)準(zhǔn)模型是最成功的理論。然而，距離愛因斯坦的理想還有很長的距離。

如今，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多基本粒子，這些基本粒子是構(gòu)成這個物質(zhì)世界的基石。但是，基本粒子真的就是“基本”的嗎？難道它們就不可再分嗎?近40年來大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，至少有一種名為強(qiáng)子的基本粒子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。

1964年，著名的美國科學(xué)家蓋爾曼提出了夸克模型，認(rèn)為介子是由夸克和反夸克所組成，重子是由三個夸克組成。他因此獲得了1969年諾貝爾物理獎。此后，在這方面的研究一直是物理學(xué)的頂尖研究課題。我們從以下的諾貝爾物理獎得主可以看出。

1965年，費(fèi)曼、施溫格、朝永振一郎因在量子電動力學(xué)重整化和計(jì)算方法的貢獻(xiàn)，對基本粒子物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響而獲物理獎。溫伯格和薩拉姆等以夸克模型為基礎(chǔ)，完成了描述電磁相互作用和弱相互作用的弱電統(tǒng)一理論，他們因此而獲1979年諾貝爾物理獎。1990年，物理學(xué)家弗里德曼、肯德爾和泰勒因在粒子物理學(xué)夸克模型發(fā)展中的先驅(qū)性工作而獲物理獎。而在今年，諾貝爾物理獎授予美國加利福尼亞大學(xué)的戴維·格羅斯、加利福尼亞理工學(xué)院的戴維·波利茨和麻省理工學(xué)院的弗蘭克·威爾茨克，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)相互作用理論中的“漸近自由”現(xiàn)象。

那么，究竟是什么原因使得夸克成為這么多杰出科學(xué)家追逐的目標(biāo)呢?讓我們先從“夸克之父”蓋爾曼說起。蓋爾曼是位天才的理論物理學(xué)家，他和愛因斯坦一樣，是猶太人；1929年出生于紐約一個普通的猶太人家庭，14歲被耶魯大學(xué)錄取，22歲在麻省理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，25歲成為加州理工學(xué)院最年輕的終身教授。

蓋爾曼具有深邃的洞察力與旺盛的創(chuàng)造力，他對基本粒子物理學(xué)的重要貢獻(xiàn)極大地加深了人類對微觀世界的了解。在科學(xué)問題的爭論中，蓋爾曼直言表達(dá)自己的看法，并不在意別人喜歡不喜歡，他認(rèn)為有這樣一條原則非常重要：“最完美的形式如果與現(xiàn)實(shí)世界發(fā)生的事物相抵觸，就一文不值?！鄙w爾曼24歲時，就發(fā)現(xiàn)了基本粒子的一個新量子數(shù)———奇異數(shù)，28歲就建立了正確描述弱相互作用的V—A理論，32歲提出了強(qiáng)子分類的八正法（相當(dāng)于一個類型基本粒子的“元素周期表”），在35歲時，他創(chuàng)立了夸克模型。

我們都知道物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子是由原子核和電子構(gòu)成的，而原子核又是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，那么質(zhì)子和中子又是由什么構(gòu)成的呢?就是夸克。夸克的一個重要特性就是“永久禁閉性”。所謂“永久禁閉性”，只是一個形象的說法，意思是夸克仿佛被“永久禁閉”在由它構(gòu)成的基本粒子之中，而不能被單獨(dú)地提取出來。在通常情況下，夸克總是被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部。也許有人要問，既然不能以獨(dú)立的面貌出現(xiàn)，那么科學(xué)家怎么知道它存在呢?因?yàn)榭茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在高能量狀態(tài)下，夸克“幾乎”是在單獨(dú)活動，所以，它就被認(rèn)定并命名為“夸克”。

那么，今年諾貝爾獎授予的三位科學(xué)家，他們發(fā)現(xiàn)的“漸近自由”是怎么回事呢?這要從強(qiáng)作用力說起，強(qiáng)作用力就是原子核內(nèi)起維系作用的力量，它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，夸克之間越接近，強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)夸克之間非常接近時，強(qiáng)作用力就會非常之弱，以至于它們完全可以作為自由粒子活動，這種現(xiàn)象叫作“漸近自由”，即漸近不縛性。與此相反，當(dāng)夸克之間的距離越大時，強(qiáng)作用力就越強(qiáng)。這種特性可以比喻為一種橡皮圈，橡皮圈拉得越長，力量就會越大。1973年，這三位科學(xué)家通過一個完善的數(shù)學(xué)模型公布了這一發(fā)現(xiàn)。所以，在31年后的今天，他們拿到諾貝爾物理學(xué)獎可以說是眾望所歸。

諾貝爾獎評委認(rèn)為，“漸近自由”這一發(fā)現(xiàn)是“夸克世界中的一個多彩發(fā)現(xiàn)”。這一發(fā)現(xiàn)涉及了很多物理學(xué)的基本問題，例如：夸克如何組成我們身邊的萬物?自然中存在著哪些力以及它們怎樣相互作用等。有關(guān)夸克的這些發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個全新的理論，即量子色動力學(xué)。在量子色動力學(xué)的理論中，物理學(xué)家終于能夠解釋為什么夸克只有在極高能的情況下它才會表現(xiàn)為自由粒子。量子色動力學(xué)對標(biāo)準(zhǔn)模型作出了重要貢獻(xiàn)。所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，是一種物理理論，它描述了與電磁力、強(qiáng)作用力、弱作用力有關(guān)的物理現(xiàn)象。也就是說，距離那個偉大的夢想，為重力、電磁力、強(qiáng)作用力、弱作用力構(gòu)建一個統(tǒng)一的理論，科學(xué)家們又前進(jìn)了一步。

【許浩／文朱慶和／薦 選自《百科知識》2004年12月】