透過粒子物理 看中國物理學(xué)家如何探索強(qiáng)子結(jié)構(gòu)

文／本刊記者 史 詩

“20世紀(jì)見證了物理學(xué)無與倫比的進(jìn)步。如果說，前半葉由相對論和量子力學(xué)所主導(dǎo)，那么毋庸置疑，后半葉的明星就是粒子物理學(xué)?！笨破請D書《神奇的粒子世界》中，這樣描述粒子物理的地位。

7月6日，在“2021量子科技系列報告”第二講上，中國科學(xué)院自然科學(xué)史所副研究員劉金巖作《探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)——層子模型構(gòu)建歷史》的主題報告。她基于中、日、俄及英文檔案等史料，以20世紀(jì)50-60年代粒子物理的國際和國內(nèi)發(fā)展為背景，介紹中國物理學(xué)家在上個世紀(jì)60年代中期探索強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，提出層子模型的過程以及層子模型的主要研究成果、后續(xù)發(fā)展、國際評價及影響。

粒子物理的誕生：“脫胎于”核物理

繼電子、中子和質(zhì)子等粒子發(fā)現(xiàn)后，物理學(xué)家又提出中微子和Pi介子假說。這一時期他們通常借助宇宙線或者低能加速器開展實驗。1932年，物理學(xué)家利用宇宙線發(fā)現(xiàn)第一個反粒子。1939年，物理學(xué)家在伯克利建造了60英尺高回旋加速器。

另一方面，由于物理學(xué)家在第二次世界大戰(zhàn)中研制原子彈和雷達(dá)發(fā)揮的重要作用，使得他們在戰(zhàn)爭結(jié)束重返科學(xué)研究中獲得充裕經(jīng)費。

自20世紀(jì)50年代起，歐美各國紛紛興建高能加速器，包括直線加速器和回旋加速器。其中比較有代表性的是50年代初開工建造的歐洲核子中心，這個加速器目前的能量已經(jīng)達(dá)到14個TeV，是世界上能量最高的加速器。

在物理界，一般獲取粒子的方法是通過加速器，讓粒子以極高的能量相互碰撞，從而將粒子“打碎”，直到在我們現(xiàn)有的條件下不能再“碎”，那就是目前我們已知的最小粒子。

“我們知道的上帝粒子就是在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。這些加速器的建造打開了人工制造新粒子大門?！眲⒔饚r坦言，到了20世紀(jì)60年代，隨著實驗上發(fā)現(xiàn)一系列新粒子，物理學(xué)家對于這些新粒子很棘手，粒子物理當(dāng)時處于一個“進(jìn)退兩難”的處境。

劉金巖稱，隨著新粒子的大量發(fā)現(xiàn)，粒子物理學(xué)家迫切需要對上百種粒子進(jìn)行分類，找出它們之間內(nèi)在聯(lián)系及其根源，提出新的概念和理論模型，比較著名的是坂田昌一在1955年提出的坂田模型，它認(rèn)為物質(zhì)的基本組元是質(zhì)子、中子和Λ粒子。此后提出的“八重法”方案可以有效對基本粒子分類，此外還有1964年由蓋爾曼和茲威格分別獨立提出的夸克模型或艾斯模型，認(rèn)為基本粒子由攜帶分?jǐn)?shù)電荷的夸克或艾斯構(gòu)成。不過，當(dāng)時的實驗物理學(xué)家和理論物理學(xué)家都不歡迎夸克這一概念。

粒子物理在中國：唯物辯證法下的層子模型構(gòu)建

物理學(xué)在中國的發(fā)展得益于一批留學(xué)歐美物理學(xué)家歸國后的推動。20世紀(jì)20年代出國留學(xué)學(xué)物理的代表人物有吳有訓(xùn)、葉企孫、嚴(yán)濟(jì)慈、周培源和王守競。他們分別在X射線散射、普朗克常數(shù)測定、光譜學(xué)、相對論、量子力學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計等物理學(xué)各分支有所建樹。劉金巖特別提到，這些人致力于推動現(xiàn)代物理學(xué)在中國的發(fā)展，在中央大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)，北平研究院等大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)設(shè)置現(xiàn)代物理學(xué)課程并培養(yǎng)人才。中國粒子物理學(xué)理論研究起步較晚，主要依靠20世紀(jì)30—40年代留學(xué)歐洲或美國的張宗燧、馬仕俊、彭桓武、胡寧和朱洪元回國后的推動。

1956年，國家制定“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”，其中原子核與基本粒子物理學(xué)研究是物理學(xué)科重點發(fā)展的方向之一。同時，“自然科學(xué)中若干重要的基本理論問題”被列入規(guī)劃中的第56項問題。1957年，李政道和楊振寧獲得諾獎，激勵一批年輕人選擇粒子物理專業(yè)。此外，參與蘇聯(lián)聯(lián)合原子核研究所的工作也為新中國培養(yǎng)了一批粒子物理人才。

1963年，毛澤東格外關(guān)注刊登在《自然辯證法研究通訊》雜志上一篇由俄文轉(zhuǎn)譯的坂田昌一文章。這篇文章的題目為《基本粒子的新概念》。毛澤東多次稱贊坂田在科學(xué)研究中注意辯證唯物主義，且其堅持的物質(zhì)無限可分思想與坂田在科學(xué)研究中堅持的原則產(chǎn)生共鳴?！佰嗵锊坏幕玖Ｗ涌煞钟^點引起毛澤東的注意，這與他希望中國盡快研制原子彈以及關(guān)心物理學(xué)中的哲學(xué)問題有關(guān)。還與當(dāng)時正在中國進(jìn)行的有關(guān)‘一分為二’和‘合二為一’的大討論有關(guān)”劉金巖介紹說。

這件事也影響了中國粒子物理學(xué)家的研究方向。此外，1966年即將在北京召開暑期物理討論會，中國物理學(xué)家要為這次會議做學(xué)術(shù)準(zhǔn)備。中國物理學(xué)家充分利用這些機(jī)會，來自中國科學(xué)院原子能研究所、數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員組成了大的研究組，后來這一研究組被稱為“北京基本粒子組”。事實上，這些機(jī)構(gòu)的科研人員在20世紀(jì)50年代末、60年代初就保持了良好的交流合作機(jī)制。

自1965年9月起，北京基本粒子組經(jīng)過幾個月的工作，提出強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)模型。劉金巖解釋稱，“層子的命名是在1966年北京暑期物理討論會召開前，由原子能所的冼鼎昌向時任原子能所所長的錢三強(qiáng)建議的，這也符合毛澤東的物質(zhì)無限可分思想，即基本粒子有結(jié)構(gòu)，由層子組成，層子又是由更深一層的層子構(gòu)成?！?/p>

中國物理學(xué)家提出層子模型順應(yīng)了粒子物理學(xué)的發(fā)展趨勢，盡管未取得預(yù)期的國際影響，但為中國粒子物理后來在理論和實驗上取得的重要成果奠定了人才基礎(chǔ)。