3位美國(guó)科學(xué)家戴維·格羅斯,、戴維·波利策和弗蘭克·維爾切克,，因發(fā)現(xiàn)粒子強(qiáng)相互作用理論中的漸近自由現(xiàn)象，榮獲2004年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)稱(chēng)頌這3位粒子物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)為：“夸克世界中的一個(gè)燦爛發(fā)現(xiàn)”,。

　 　戴維·格羅斯1941年出生于美國(guó)首都華盛頓，1966年在著名的加利福尼亞大學(xué)伯克利分校獲物理學(xué)博士學(xué)位,。此后,，他曾在哈佛大學(xué)和普林斯頓大學(xué)工 作，并于1972年被普林斯頓大學(xué)聘為教授,。1977年1月,，格羅斯來(lái)到風(fēng)景秀麗的加利福尼亞海濱，擔(dān)任加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的卡夫利理論物理研究 所所長(zhǎng),。在從事物理學(xué)研究的幾十年間,，他曾獲美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)物理學(xué)會(huì),、美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)和一些私人基金會(huì)的多項(xiàng)科學(xué)大獎(jiǎng),。

　　戴維·波利策于1974年獲哈佛大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，目前在加利福尼亞理工學(xué)院物理系擔(dān)任教授,，同時(shí)也是該校粒子物理研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人之一,。加州理工學(xué)院坐落于帕薩迪納美麗的圣蓋伯利山腳下，是美國(guó)聲名顯赫的名牌私立大學(xué)之一,。

　 　弗蘭克·維爾切克1951年出生在紐約的皇后區(qū),，在芝加哥大學(xué)物理系本科畢業(yè)后，前往普林斯頓大學(xué)繼續(xù)深造,。1988年,，他前往美國(guó)西海岸的加利福尼亞 大學(xué)圣巴巴拉分校擔(dān)任教授；2000年秋天,，他重回東海岸,，擔(dān)任麻省理工學(xué)院的物理系教授。他被譽(yù)為美國(guó)最杰出的理論物理科學(xué)家之一,。
　
對(duì)微觀(guān)世界的孜孜探索
　
　 　自遠(yuǎn)古以來(lái),，人們就在探討物質(zhì)由什么組成，有沒(méi)有共同的基本單元,。19世紀(jì)末,，人們?nèi)哉J(rèn)為這種共同的單元就是原子；直到1896年放射性被發(fā)現(xiàn)和 1897年電子被發(fā)現(xiàn)之后,，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識(shí)才前進(jìn)了一大步,。1932年中子的發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識(shí)到各種原子都是由電子,、質(zhì)子和中子組成的,。當(dāng)時(shí)人們把 這3種粒子和光子稱(chēng)為基本粒子,，20世紀(jì)40年代以來(lái)，研究它們的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,，逐漸發(fā)展成為物理科學(xué)中的一門(mén)獨(dú)立學(xué)科——粒子物理學(xué),。

　　諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，特別青睞粒子物理學(xué)這門(mén)探索微觀(guān)世界的物理學(xué)科,，在104年間共23次對(duì)39人授獎(jiǎng),，使其成為物理學(xué)中獲獎(jiǎng)最多的學(xué)科。

　　英國(guó)人湯姆森最先打開(kāi)通向粒子物理學(xué)的大門(mén)：1897年,，通過(guò)研究氣體放電現(xiàn)象,，他發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)基本粒子——電子，因而榮獲了1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

　　1928年,，印度人拉曼發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)被單一頻率的光束照明時(shí),，在與原來(lái)方向直角射出的光束中,，含有表明該物質(zhì)特性的其他頻率，這是由光與物質(zhì)之間的能量交換引起的,。這個(gè)被稱(chēng)為“拉曼效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，成為研究分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析的有力工具,，獲得了1930年獎(jiǎng),。

　　英國(guó)人威爾遜1912年發(fā)明了探測(cè)粒子的重要實(shí)驗(yàn)裝置——云霧室，云霧室能顯示出電子穿過(guò)空氣的徑跡,，于1927年獲獎(jiǎng),。此后，眾多科學(xué)家使用云霧室獲得了粒子物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn),。

　　英國(guó)人布萊克特1921～1931年改云霧室為云霧照相術(shù),，成為探測(cè)宇宙輻射的自動(dòng)儀，從而導(dǎo)致了核物理領(lǐng)域和宇宙線(xiàn)方面的一系列發(fā)現(xiàn),。這位宇宙線(xiàn)學(xué)派的創(chuàng)立者,，獲得了1948年獎(jiǎng)。

　　奧地利裔美國(guó)人赫斯1911年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了宇宙線(xiàn)粒子,，獲1936年獎(jiǎng),。宇宙射線(xiàn)的研究，導(dǎo)致了后來(lái)對(duì)高能粒子加速器的研制,。

　　美國(guó)人安德森1932年使用云霧室,，從宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了電子的反粒子——正電子，第一次證實(shí)自然界確有反粒子存在,，與赫斯同享1936年獎(jiǎng),。

　　日本人湯川秀樹(shù)1935年提出了傳遞核力的介子理論,，并預(yù)言質(zhì)量約為電子質(zhì)量200倍的粒子——介子的存在，獲1949年獎(jiǎng),。

　　英國(guó)人鮑威爾,，1947年根據(jù)湯川秀樹(shù)的預(yù)言，使用自創(chuàng)的照相乳膠記錄法,，從宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)π介子,。這位被譽(yù)為“粒子物理之父”的學(xué)者榮獲了1950年獎(jiǎng)。

　　π介子從預(yù)言到發(fā)現(xiàn),，標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)又向前跨進(jìn)了一大步,，即從認(rèn)識(shí)原子核到認(rèn)識(shí)基本粒子的領(lǐng)域。

　 　美籍華人李政道和楊振寧,，在合作研究的課題中,，提出弱相互作用下的宇稱(chēng)不守恒原理，徹底推翻了曾被認(rèn)為是物理學(xué)中最牢固,、不可動(dòng)搖的法則之一——宇稱(chēng)守 恒定律,，從而導(dǎo)致在粒子物理學(xué)方面的一系列重大發(fā)現(xiàn)。這兩位卓越的炎黃子孫,，榮獲1957年獎(jiǎng),，成為首次榮膺諾貝爾獎(jiǎng)的中華兒女。

　　意大利裔美國(guó)人塞格雷與美國(guó)人張伯倫合作,，于1955年用高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器,，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的反粒子——反質(zhì)子，獲1959年獎(jiǎng),。

　　美國(guó)人格拉塞1952年發(fā)明了能精確測(cè)定亞原子粒子軌跡的氣泡室,，為基本粒子的研究提供了新的技術(shù)手段，獲1960年獎(jiǎng),。

　　美國(guó)人阿爾瓦雷斯1954年改進(jìn)了氣泡室和基本粒子數(shù)據(jù)分析技術(shù),，獲1968年獎(jiǎng)。

　　美國(guó)人霍夫斯塔特1955～1958年用直線(xiàn)加速器探測(cè)原子核結(jié)構(gòu),，發(fā)現(xiàn)了核子——質(zhì)子和中子的中心,，都有一個(gè)帶正電的核心，被兩層π介子云所圍繞,，質(zhì)子的兩層云都帶正電,，而中子的內(nèi)層帶負(fù)電荷，因而使整個(gè)粒子的凈電荷為零,。這位核子的發(fā)現(xiàn)者獲1961年獎(jiǎng),。

　　美國(guó)人蓋爾曼1961年效仿佛教的“八正道”，提出粒子分類(lèi)的“八重法”,，把全部粒子劃歸為簡(jiǎn)單有序的族類(lèi)系統(tǒng),，形成粒子系統(tǒng)的“元素周期表”,，并提出關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型，獲1969年獎(jiǎng),。

　　美籍華人丁肇中和美國(guó)人里克特于1974年分別發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量的電中性介子——J/φ粒子,，并證明它是具有“粲”（charm）特性的第4種夸克。粲夸克的發(fā)現(xiàn)者榮獲了1976年獎(jiǎng),。

　 　美國(guó)人克羅寧和菲奇1964年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)復(fù)合宇稱(chēng)不守恒現(xiàn)象,，這一發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)粒子物理學(xué)中一些“不可違背的”基本規(guī)律，導(dǎo)致粒子物理學(xué)中一次重大 變革,，并在天體物理學(xué)中引起重大反響,，可用于解釋宇宙最早期的粒子生成，這個(gè)長(zhǎng)期沒(méi)有解決的根本問(wèn)題,。這兩位中性κ介子衰變中的宇稱(chēng)不守恒的發(fā)現(xiàn)者,，獲 1980年獎(jiǎng)。

　　法國(guó)人夏帕克1968年發(fā)明了多絲正比室,，這個(gè)裝置是高能物理實(shí)驗(yàn)中常用的探測(cè)器之一,，促進(jìn)了粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，獲1992年獎(jiǎng),。

　 　榮獲1988年獎(jiǎng)的3位美國(guó)人萊德曼,、施瓦茨和斯坦伯格合作，于1962年發(fā)現(xiàn)了第二種類(lèi)型的中微子——μ子型中微子,，并證實(shí)了輕子的雙譜線(xiàn)結(jié)構(gòu),，獲 1988年獎(jiǎng)。這些發(fā)現(xiàn)是人類(lèi)對(duì)微觀(guān)世界探索的一個(gè)重要里程碑：輕子可以分為兩代,；世界萬(wàn)物均由輕子和夸克組成,，它們之間的相互作用是由媒介子傳遞的,。

　　榮獲1995年獎(jiǎng)的2位美國(guó)人萊因斯和佩爾的發(fā)現(xiàn),，使人類(lèi)對(duì)物質(zhì)深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解又前進(jìn)了一步。他們的發(fā)現(xiàn)表明,，自然界存在著3代夸克和輕子,。

　 　美國(guó)人萊因斯1955年在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)中微子，證實(shí)了泡利1930年的預(yù)言,。中微子不受強(qiáng)相互作用如電磁相互作用的影響,，因而能輕而易舉地穿透大量物質(zhì)。美國(guó)人佩爾1975年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了重輕子——τ輕子：一種帶負(fù)電的基本粒子,，比電子重3700倍,。這兩位粒子物理學(xué)家榮獲了1995年獎(jiǎng)。

　　美國(guó)人費(fèi)曼和施溫格,，日本人朝永振一郎20世紀(jì)40～50年代分別發(fā)展了量子電動(dòng)力學(xué)理論,，對(duì)基本粒子物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,，解決了統(tǒng)一場(chǎng)理論形成過(guò)程中的某些問(wèn)題，獲1965年獎(jiǎng),。

　 　美國(guó)人格拉肖和溫伯格,，巴基斯坦人薩拉姆，于1967年分別提出弱相互作用與電磁相互作用統(tǒng)一的理論及模型,，獲1979年獎(jiǎng),。他們的研究成果為實(shí)現(xiàn)愛(ài)因 斯坦設(shè)想的包括自然界中存在的四種基本力（引力、電磁力,、強(qiáng)相互作用力,、弱相互作用力）的統(tǒng)一場(chǎng)理論，邁出了重要的一步,。

　　荷蘭人范德 梅爾與意大利人魯比亞分別于60年代末和1976年提出“隨機(jī)冷卻”的設(shè)想,，用于制造高能物理加速器。根據(jù)他們的設(shè)想制造的大型實(shí)驗(yàn)裝置,，于1984年1 月發(fā)現(xiàn)了傳遞場(chǎng)粒子Ｗ±和Z°粒子的發(fā)現(xiàn)及其性質(zhì),，最終確定了弱電統(tǒng)一理論的正確性。范德梅爾與魯比亞的設(shè)想是對(duì)高能物理學(xué)的一大貢獻(xiàn),，獲1984年獎(jiǎng),。

　 　荷蘭人韋爾特曼和他的學(xué)生霍夫特因提出一個(gè)適用于新型規(guī)范理論的方案，闡明了20世紀(jì)70年代初提出的弱電統(tǒng)一理論的量子結(jié)構(gòu),，獲1999年獎(jiǎng),。韋爾特 曼60年代末發(fā)明了“Schoonchip”計(jì)算機(jī)程序,，對(duì)采用量子場(chǎng)論計(jì)算物理量時(shí)所用的表達(dá)式進(jìn)行了代數(shù)簡(jiǎn)化,。霍夫特1969年提出一種整化非阿貝爾 規(guī)范場(chǎng)論的新途徑,。此后他們又共同制定了一套計(jì)算方法,。弱電非阿貝爾規(guī)范理論已成為一種功能性的理論工具,，它使粒子的物理量精確計(jì)算成為可能。
　
物質(zhì)世界最小粒子
　
　　構(gòu)成自然界的最小粒子是什么,？這些粒子如何構(gòu)成人們所看到的萬(wàn)事萬(wàn)物,？自然界存在著什么樣的作用力，它們之間是如何相互作用的,？這些問(wèn)題一直困擾20世紀(jì)的物理學(xué)家,，并仍然對(duì)那些在大型粒子加速器上工作的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家構(gòu)成挑戰(zhàn)。

　　20世紀(jì)前葉,，放射性的發(fā)現(xiàn)和研究以及原子物理的相繼發(fā)展,，產(chǎn)生了強(qiáng)作用力和弱作用力的概念。簡(jiǎn)言之，強(qiáng)作用力使構(gòu)成原子核的粒子結(jié)合在一起,，弱作用力則使之發(fā)生放射性衰變,。

　 　諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)，讓人們回憶起粒子物理學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代,，這個(gè)時(shí)代從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束到20世紀(jì)80年代為止,。在這個(gè)粒子物理學(xué)時(shí)代，物理學(xué)家 們不停地在粒子加速器和黑板上傾泄激情,，他們終于認(rèn)識(shí)到自然除重力之外還有3種基本力,，即與光和化學(xué)有關(guān)的電磁力，與輻射衰變有關(guān)的弱作用力和將原子核組 合在一起的強(qiáng)作用力,。

　　美國(guó)物理學(xué)家弗里德曼,、肯德?tīng)柡图幽么笪锢韺W(xué)家泰勒，于1957年成立了斯坦福直線(xiàn)加速中心和麻省理工學(xué)院聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組,，用20吉電子伏的加速器,，進(jìn)行深度非彈性電子——質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子里面有點(diǎn)伏結(jié)構(gòu),，即硬核——核子內(nèi)部的夸克,。這3位學(xué)者因發(fā)現(xiàn)夸克的存 在，榮獲1990年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。他們的研究告訴人們,，物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子由原子核和電子構(gòu)成,，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成,，中子和質(zhì)子則由夸克所構(gòu)成?？淇耸俏镔|(zhì)世界更基本的粒子,，也就是說(shuō)，夸克是物質(zhì)世界,、包括人類(lèi)自身最小的構(gòu)成元素,。

　　然而，當(dāng)人們?cè)噲D打開(kāi)質(zhì)子或中子時(shí),，卻從未發(fā) 現(xiàn)單個(gè),、自由的夸克,，只有2個(gè)或3個(gè)夸克的集合體才能處于自由狀態(tài),，通常情況下，夸克總是被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部,。這是目前科學(xué)研究無(wú)法完全解釋的問(wèn)題,。 只有了解夸克之間的相互作用力的性質(zhì)，才有可能得到單個(gè)的自由夸克，從而解決這個(gè)難題,。

　　人們從來(lái)沒(méi)有看見(jiàn)過(guò)單獨(dú)存在的夸克,，物理學(xué)家推測(cè)將夸克結(jié)合在一起的力一定非常強(qiáng)大。因此,，他們也將強(qiáng)作用力稱(chēng)為“色力”,，認(rèn)為它是原子核內(nèi)具有統(tǒng)治地位的力量。但與此同時(shí),，粒子加速器上的實(shí)驗(yàn),，卻顯示質(zhì)子中的夸克粒子間，好像并沒(méi)有相互作用力,。

　　這是怎么回事,？

　　直到20世紀(jì)70年代初期，物理學(xué)家仍在黑暗中探索強(qiáng)相互作用力,，他們面臨著一個(gè)令人頭痛的問(wèn)題,，即用于研究弱作用力的無(wú)限應(yīng)對(duì)技術(shù)不能應(yīng)用于強(qiáng)作用力。

　 　1973年,，3位獲獎(jiǎng)?wù)咛岢龅?span lang=EN-US>“漸近自由”理論,，對(duì)此提供了解釋?zhuān)屵@些問(wèn)題應(yīng)刃而解。這3位物理學(xué)家在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表文章,，用數(shù)學(xué)模型解釋了 夸克的上述神秘行為,。他們的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，表面上看起來(lái)是完全矛盾的,，在夸克之間距離很近的時(shí)候,，相互作用會(huì)變?nèi)酰@與客觀(guān)的相互吸引力是完全不同的,。3位獲 獎(jiǎng)?wù)咴?span lang=EN-US>20世紀(jì)70年代提出的理論認(rèn)為,，強(qiáng)作用力會(huì)隨夸克彼此間距離的增加而增大，因此沒(méi)有夸克可以從原子核中向外遷移獲得真正的自由,。這些夸克會(huì)永久地被結(jié)合在一起,，因此不可能找到單個(gè)的夸克。同樣根據(jù)“漸近自由”理論,，強(qiáng)作用力會(huì)隨夸克間距離變小而減弱,，這就意味著約束在質(zhì)子等內(nèi)部的夸克，在彼此距離足夠小時(shí),，將近乎自由地進(jìn)行運(yùn)動(dòng),。
　
讓荒謬的世界
變成有序的世界

　 　1973年，正在普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位的維爾切克和導(dǎo)師格羅斯共同發(fā)表了一篇論文,，提出強(qiáng)作用理論中的漸近自由現(xiàn)象,。不久他們得知，正在哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位的波利策同年獨(dú)立發(fā)表的一篇論文也提出了同樣的理論。美國(guó)麻省理工學(xué)院的粒子物理學(xué)家羅伯特·賈弗博士對(duì)3位獲獎(jiǎng)?wù)叩某晒谎砸再澲簝善撐?讓“荒謬的世界”變成了“有序的世界”,。

　　3位獲獎(jiǎng)?wù)哂猛昝赖臄?shù)學(xué)公式提出一種嶄新理論,。乍一看，他們的理論是完全矛盾的,，因?yàn)閷?duì)他們 的數(shù)學(xué)結(jié)果的解釋表明,，夸克間的距離越近，強(qiáng)作用力越弱,。當(dāng)夸克間彼此非常接近時(shí),，強(qiáng)作用力是如此之弱，以至于它們的行為完全就像自由粒子,。物理學(xué)家們將這種現(xiàn)象稱(chēng)為“漸近自由”,，即漸近不縛性。反過(guò)來(lái)也是正確的,，即當(dāng)夸克間的距離越大時(shí),，強(qiáng)作用力就越強(qiáng)。這種特性可用橡皮帶的性質(zhì)比喻,，即橡皮帶拉得越長(zhǎng),，作用力就越強(qiáng)。