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夸克的领域（第1页）

夸克的领域

要穿越混杂的亚原子粒子堆找到出路可不是件容易的事情，但是有一位身手不凡的物理学家却因打通这一路径而著名——他天才地洞察这片地貌，富有洞察力地把它描绘了出来，又用古怪的名字和文学性的比喻刻画这一诡异多端的踪迹。

盖尔曼（MurrayGell—Mann，1929—）出生于纽约市，他父亲来自奥地利，在纽约安了家。他在15岁生日那天进入耶鲁大学，仅此就意味深长。他21岁从麻省理工学院获得博士学位，在芝加哥进一步跟随费米做研究工作之后，27岁时被加州理工学院聘为教授。他具有犀利的头脑、高度不凡的兴趣和语言天赋（能流利地说多种语言，包括斯瓦希里语）。

在盖尔曼到达加州理工学院时，他已经深深沉浸于粒子物理学的丛林之中。除了查德威克的中子、狄拉克的正电子和泡利的中微子以外，汤川还假设了介子——介子被发现了很多：有安德森的μ介子，后来叫做μ子，因为发现它不是介子；而鲍威尔的π介子才是汤川的强力携带者。到了20世纪50年代还有K介子，比较重，大约为质子质量的一半。不久以后，比质子还要重的粒子也开始陆续被发现——这些重粒子叫做超子。

20世纪so年代，盖尔曼对K介子和超子特别感兴趣。他认为，这些粒子是由强相互作用产生的，按理也应该被强相互作用分解。但是情况恰恰不是这样，相反，它们会被弱相互作用分解（放射性辐射中的相互作用就是证据）。

早在19世纪90年代，当玛丽·居里和皮埃尔·居里开始研究放射性时，他们曾小心翼翼地测量神秘的“β射线”辐射（核里释放出的电子）的结果，除了贝克勒尔这些同事，几乎未曾有人听说过此事。但是到了20世纪50年代，关于放射性和控制它的弱相互作用已经广为人知。弱相互作用比大家熟悉的电磁相互作用要弱一千倍，并且比起把核粒子束缚在一起的强相互作用来更弱。弱相互作用已经成为理解得很透彻的现象，或者至少大多数物理学家是这样想的。

有一个事实却难以理解。按理说，非常弱而且较慢的弱相互作用应该不会超过更快的强相互作用。根据已有知识，K介子应该通过强相互作用衰变。但它们却不是这样，它们只是通过弱相互作用衰变，这一事实对于粒子物理学家来说，的确非常奇怪，结果他们开始把K介子和超子称为“奇异粒子”。

关注奇异性

于是在20世纪50年代初期，盖尔曼开始沉浸于奇异性问题。与此同时，日本物理学家中野董夫（Tokyo．Nakano）和西岛和彦（KasuhikoNishijima）也各自沿着同样的思路得到了类似的结论。在探索亚粒子时，盖尔曼开始成组地思考，而不是分别对待它们。例如，如果你关注中子和质子的特性，就会发现它们在每个方面都惊人地相似，除了一组带正电，一组中性。盖尔曼发现，如果你忽略亚粒子的电荷，原子核内的大多数亚粒子似乎就能分成两三个小组。

于是，盖尔曼根据除电荷以外的所有特性，把已知粒子分成小组，然后，按照每个组所有成员的总电荷，给每个组指定一个电荷中心。例如，中子一质子组的电荷中心为＋1／2（由于这个小组的总电荷是＋1，成员为2）。但是对于K介子和超子，很奇怪，电荷中心不像别的小组那样在中心，而是偏心的。盖尔曼发现，他可以测量偏心的大小，并且用一个数表示偏心的程度——这个数就叫“奇异数”。质子和中子的奇异数为0，因为它们完全不偏心。但是他发现有些粒子的奇异数是＋1、－1，甚至－2。

并且，盖尔曼还注意到了所有粒子相互作用的模式：在任何相互作用中，所有粒子的总奇异数恒为常数。也就是说，在相互作用的前后它都是相同的。物理学家喜欢这一点，因为它显示了某种对称性的存在（自然界常常这样表现，所以这些结果看来是可以接受的）。相互作用中的奇异数守恒也可以定量描述（物理学家总是喜欢这样——因为定量表述比主观观察更容易验证）。再有，盖尔曼的观察可以用于解释奇异粒子意想不到的长寿。盖尔曼和中野董夫-西岛和彦小组都在1953年发表了他们关于这一思路的论文。

然而，弱相互作用还有一些谜团仍然没有得到解释——1956年的一天午饭后，杨振宁（gYang，1922—）和李政道（TsungDaoLee，1926—）在纽约市的白玫瑰餐馆聊天时谈到了这些谜团。当这两位长期合作的伙伴交谈时，他们开始暗自猜测以前从未有人想过的弱力问题。

左手世界

1922年，杨振宁出生于中国合肥，23岁时到美国，欲拜费米为师。当他抵达纽约的哥伦比亚大学时却发现费米已经去了芝加哥大学，于是他不慌不忙追到芝加哥，在这里，他跟随费米学习，1948年取得博士学位。也就是在这里，他遇到了李政道，其实，他们在中国时早就认识。1956年，杨振宁已经颇有声望，因为在1954年他和米尔斯（RobertMills，1927—1999）提出了当时叫做杨-米尔斯规范不变场的理论，为量子场论奠定了基础。

李政道1926年出生于上海，1946年赴美国念研究生课程——他当时甚至还没有读完大学本科。芝加哥大学是唯一一所允许他人学的大学：这对李政道来说实在是幸运，因为这里有一些当时最杰出的物理学大师。他抓住有利的条件努力深造，1950年获得了博士学位，然后在氢弹设计师泰勒手下工作。

李政道、杨振宁后来又在新泽西的普林斯顿高等研究所共事过一段时间，然后杨振宁留下在1955年成为物理学教授，而李政道在1953年接受了哥伦比亚大学的职务。纽约离新泽西不远，所以他们两人往往是每个星期聚会一次，交换意见。

李政道（左）和杨振宁

那个特殊的下午在白玫瑰餐馆谈话的主题是所谓K介子的“奇异粒子”，它似乎有两种不同的衰变方式——一种是右手方式，另一种是左手方式。

一般来说，这种情况不应该发生——其他各种粒子并不发生这种情况。K介子衰变的方式似乎违反了重要的物理学原理：宇称守恒定律。宇称守恒定律和能量守恒定律、物质守恒定律一样，在预言自然界行为时似乎向来正确。

设想你站在镜子前面，你的右边在镜像里成了左边。如果你的头发往右边分，在镜子里看上去却是往左边分，现在想象把像的其余部分倒过来，头部变底部，前面变后面。宇称守恒定律说的是，如果你采用一个系统，使其中的每件东西都以这种方式发生转换，这一系统将展现完全相同的行为。

宇称有两种可能值：奇和偶。宇称守恒定律说的是，如果你在反应或变化之前是奇宇称，则在结束时也应该是奇宇称。也就是说，当粒子之间相互作用形成新粒子时，在方程式两侧应该宇称相同。

K介子的问题在于：当它们衰变时，有时衰变成两个π介子，两个都是奇宇称（加在一起就成了偶宇称），有时它们又会衰变成三个π介子（加在一起又成了奇宇称）。就好像你照镜子，你的右手的像反射回来有时在右边，有时在左边。方程式的两侧本来应该完全互为镜像，但是它们却并不总是这样。物理学家试图解释这一现象，于是提出会不会是有两种不同类型的K介子，一种是奇宇称，一种是偶宇称。但是杨振宁和李政道认为这也许不是正确的解答，这些介子在其他每个方面都完全相同，也许有某些原因在起作用。

李政道和杨振宁互相问道，有没有可能宇称守恒不适用于这些“奇异粒子”?也许它们实际上就是一种K介子，而不是两种。也许宇称守恒似乎不被遵守的原因是，这一原理不适用于弱相互作用。他们知道，从来没有人检验过这一可能性，于是他们开始思考哪些情况可以测试这一前提。这就是所谓的“宇称的失效”，不是整体废黜，只是在一个领域里的失效，这个领域就是弱相互作用。

两人随即起草一篇论文，题为《弱力中宇称守恒的问题》，不久后发表。在这篇论文里，他们回溯了一系列反应并且考察有哪些实验暗示在弱力中不遵守宇称（即镜像对称）的可能性。怎样才能检验这一思想?他们认为，如果你能考察β衰变（弱相互作用的一个领域）中的自旋核所发射的电子的方向，例如，可以看到电子偏爱哪一个方向，就能给出答案。

这一理论，是李、杨的头脑里通过合作而产生的。但是在科学中一个理论是否有价值，全在于它是否经得起实验的检验。如果经得起，它就开拓成为一个大的研究领域，产生富有挑战性的新问题，并且让旧思想寿终正寝。

吴健雄，她的实验证明李、杨有关宇称守恒的思想是正确的。

李、杨的实验搭档吴健雄（-ShiungWu，1912—1997）立即付诸行动。吴健雄是哥伦比亚大学的物理学教授，李政道的同事。她是一位杰出的、意志坚强的实验物理学家，专业正是放射性衰变。她以对学生严格和苛刻而出名，对自己的工作更是苛刻，精力充沛。这一次吴健雄做的实验非常及时复杂且干净利落。她决定用钴60，这种放射性物质会衰变成镍核、中微子和正电子。吴健雄需要用仪器“监视”的是正电子从核中逸出时的自旋，但是她必须确保钴60样品的核都是沿同一方向旋转，这样核的旋转才不会影响被辐射粒子的自旋。为了做到这一点，吴健雄设计了一个非常复杂的实验，要用到华盛顿特区美国标准局的低温设备，把钴的温度降至非常低，只高于绝对零度一点点。

到了1957年初，吴健雄开始获得惊人的结果。在新年过后第一个星期的工作午餐中，李政道对他的同事说：“吴健雄来了电话，说她的原始数据表明有重大效应!”不久吴健雄的结果出来了——宇称不适用于弱力。这年年底，李政道和杨振宁由于他们的远见卓识赢得了诺贝尔奖。

然而，许多物理学家并不高兴。亚原子世界，不像无序的日常世界，似乎总得显露某种奇异的精致性，对称性就是其中的一种。现在对称性似乎是一种时有时无的现象。

泡利曾经不快地讽刺说：“我不能相信上帝是弱的左撇子”。（他并不是认为左撇子不好，而是因为他看到的大自然总是不偏不倚的。）泡利说出了他的不安，实际上许多其他物理学家也有同感。许多人开始怀疑其他守恒定律是不是也有问题。如果宇称不始终如一，那么也许其他的守恒定律也会存在同样问题，也许对称性根本不应该看成是一个普遍适用的原理。李政道、杨振宁和吴健雄提出了许多问题，但是对于那些致力于为未知问题寻找答案的科学家来说，好科学不仅要回答问题，使零碎的片段相互整合，而且要提出新的问题。

与众不同的夸克

与此同时，在加州，盖尔曼也在忙碌。一个伟大的理论家具有在混乱中进行综合和理清思路的特殊才能，这正是盖尔曼所有的。有许多事情需要整理和解释，其中包括粒子那令人难以置信的庞大数目（为什么如此之多?）以及明显的家族现象（是什么机制或者原理造成的?）

在杨振宁、李政道和吴健雄工作的基础上，盖尔曼提炼出了一些想法，一种分类系统，发表在20世纪60年代初一系列论文中。他称他的系统为“八重法”，这个名词是从中国的佛经里借用的。（并不是像有些热心者所认为的那样，盖尔曼想要暗示物理学已经变得神秘化或哲学化。他只不过是需要一个名字来表示一个概念，这个概念对于语言世界是如此之新，以致必须重新发明一个才行。大多数希腊字母都已经用于命名粒子，所以他只得从他最感兴趣的事情中找一个名字。）

盖尔曼的思路是这样的：他已经注意到，许多亚原子粒子（包括介子、质子和中子）都是以家族出现，两三成组。介子有三个，K介子有两对，质子有一对（质子和反质子），等等，形成密切相关的家族，彼此非常相似。实际上，这些家族成员之间的相似性远超过它们之间的差别性，各种情况唯一的差别在于电荷和质量。而质量差别之小（只有几MeV），显然是由于电荷的差别引起的。换句话说，这些粒子很可能是等同的，因为质量的差别有可能仅仅是电荷的差别引起的。因此，盖尔曼说，如果你把这些家族中的每一个成员都看成是具有不同特性的一个粒子——这些粒子具有“多重性”，有什么不可以呢?这就为如何看待原子核里发现的粒子的多样性，提供了富有成效的新思路。

其次，他注意到强力完全不顾及电荷。不管粒子是中性还是带负电或带正电，效果都一样，它以同样的强度作用于质子和反质子。强力对中性π介子、它的带正电的姐妹或者带负电的兄弟没有什么区别，它们就像是等边三角形的三个边。