默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann,1929-),一位粒子物理學(xué)界的奇才,,自20世紀(jì)50年代以來,,在粒子物理學(xué)中一直扮演著最重要的角色。特別是他于1964年提出的夸克模型,,開辟了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的新篇章,,被譽(yù)為“夸克之父”(此處千萬不要縮讀喲),1969年獲得諾貝爾物理學(xué)獎,。 蓋爾曼于1929年9月15日出生于美國紐約城,。蓋爾曼的父母是第一次世界大戰(zhàn)之后從奧地利移居到美國的。他的父親阿琵·蓋爾曼是一位語言教師,,并且通曉數(shù)學(xué),、天文學(xué)和考古學(xué)。受他父親的影響,,蓋爾曼終生愛好語言學(xué)和數(shù)學(xué),。蓋爾曼的母親叫波琳·瑞徹斯坦。蓋爾曼弟兄兩人,,他的哥哥本尼迪克·蓋爾曼曾是一家報刊的攝影記者,。正是在他哥哥的影響下,蓋爾曼對鳥類及自然歷史發(fā)生了極大的興趣,。 蓋爾曼從小就顯示出很高的天賦,,常被人們稱為奇才,。他8歲那年就獲得了一筆獎學(xué)金,從一家地方公立學(xué)校升人紐約的一所高級學(xué)校,。雖然蓋爾曼的各門功課的考試成績非常優(yōu)異,,但那時他并不喜歡學(xué)校的生活。他認(rèn)為,,學(xué)?!疤珕握{(diào)乏味”,甚至“物理也是相當(dāng)令人厭煩的”他時常放學(xué)后在家里學(xué)習(xí)他感興趣的語言學(xué)和歷史等少數(shù)幾門學(xué)科,。不過,,學(xué)校里的橄欖球這項體育運動蓋爾曼還是十分喜歡的。 蓋爾曼剛滿15歲時就考入了耶魯大學(xué),。有趣的是入學(xué)那天剛好是他的15歲生日,。對于新的大學(xué)生活,蓋爾曼開始感到非常困惑,。因為他對自己的能力表示懷疑,,正如蓋爾曼回憶所說,“由于比其他同學(xué)年齡都小,,因而容易受到傷害,,尤其是在我個性發(fā)展還不成熟時?!绷硗?,他當(dāng)時對自己選擇什么專業(yè)并不確定。他父親傾向于讓他學(xué)習(xí)工程專業(yè),,但他不能接受,。由于當(dāng)時沒有其它選擇,他只好在入學(xué)表格上填寫上了與之相近的物理專業(yè),。因此,,蓋爾曼認(rèn)為,他能成為一位物理學(xué)家純屬偶然,。 1948年他獲得了物理學(xué)士學(xué)位,,并獲得了麻省理工學(xué)院的研究生獎金而成為那里的研究生。至此,,他從未感到過學(xué)習(xí)的困難,。由于天資聰慧,他輕而易舉地取得了高學(xué)分,。在麻省理工學(xué)院,,蓋爾曼從師于著名物理學(xué)家V·韋斯柯夫。韋斯柯夫是一位耐心隨和的導(dǎo)師,他通過向蓋爾曼顯示物理學(xué)家是如何工作的來激勵他,。在這里,,蓋爾曼時常參加一些學(xué)術(shù)討論會,這使他開始了解到物理學(xué)家的工作,,并在他心中產(chǎn)生了對科學(xué)進(jìn)行挑戰(zhàn)的欲望,。
他的博士論文大部分是研究十分困難的中間耦合理論。他的這一工作后來證實是非常有價值的,,對1963年諾貝爾獎金獲得者E·P·維格納的研究工作有極大的影響,。蓋爾曼于1951年元月獲得了博士學(xué)位。由于他在研究生期間的出色工作,,蓋爾曼被資助到普林斯頓高級研究院工作一年(1951年),。同年的夏季,他在依利諾斯大學(xué)進(jìn)行了一段教學(xué)和研究,。翌年,,蓋爾曼成為芝加哥大學(xué)核研究所(后來改名為費米研究所)的講師。在這個研究所里工作,,蓋爾曼深為以費米為中心所形成的學(xué)術(shù)氣氛而激勵,。1953年,蓋爾曼升為助理教授,,并在此年提出了著名的奇異量子數(shù)概念。這使年僅24歲的蓋爾曼很快就成為粒子物理學(xué)界的重要人物,。 1954年蓋爾曼成為副教授,,該年秋季,蓋爾曼到哥倫比亞大學(xué)講學(xué),。于1955年初他離開芝加哥,,又一次來到了普林斯頓高級研究院工作。同年4月19日,,他與當(dāng)時在那里工作的英國姑娘(一位考古學(xué)家的助手)J·M·道(Dow)結(jié)為夫妻,。他們生有一個女兒利莎和一個兒子尼古拉斯。J·M道于1981年12月去世,。1955年9月,,蓋爾曼接受了加州理工學(xué)院物理學(xué)副教授的位置,并于次年成為教授,。1967年,,他成為了這里的R·A·密立根理論物理學(xué)教授。
由于蓋爾曼的杰出的科學(xué)成就,,他曾先后得到了多種獎勵和榮譽(yù),。除了獲得1969年諾貝爾物理學(xué)獎外,他于1959年獲得了美國物理學(xué)會的丹尼·海涅曼獎:1966年獲美國原子能委員會頒發(fā)的E·O·勞倫斯物理學(xué)獎,;1967年獲費城富蘭克林學(xué)院的富蘭克林獎?wù)拢?968年獲美國科學(xué)院的J·J·卡蒂獎?wù)?。他曾在尼克松總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會工作過,,他還是倫敦皇家學(xué)會的外籍成員以及法國物理學(xué)會的榮譽(yù)成員,他還被許多大學(xué)授予榮譽(yù)科學(xué)博士,。
蓋爾曼對待科學(xué)工作有許多獨特的風(fēng)格,,他喜歡通過報告、論文會和交談與其他物理學(xué)家交流思想,。他不怎么閱讀文獻(xiàn),,相對于他的重要影響,他發(fā)表的工作并不多,。他不輕易發(fā)表文章的原因是他有一個與眾不同的觀念,,就是他認(rèn)為發(fā)表一個錯誤的觀點對一個人的科學(xué)生涯將留下洗不掉的污點。他認(rèn)為,,一個理論學(xué)家的洞察力將由他所發(fā)表的正確觀點數(shù)目減去錯誤的數(shù)目,,甚至減去兩倍的錯誤數(shù)目來衡量。即使按照這種崇高的標(biāo)準(zhǔn),,蓋爾曼的成績也是非常優(yōu)異的,。 蓋爾曼的另一個特點是,連他本人也不十分清楚,,他好像總是喜歡將他的觀點推遲一段時間(一年或一年半左右)發(fā)表出來,,甚至永不發(fā)表。如他的一些重要工作只是作為預(yù)印報告成為原始文獻(xiàn),。蓋爾曼認(rèn)為,,這可能是由于他想讓事情考慮得更成熟一些。他還善于根據(jù)他所熟悉的實驗事實和理論基礎(chǔ),,提出深刻的物理直覺,。他注重他人的觀點,反對教條,;他時常另辟新的途徑來思考問題,。正像他對待生活那樣,他對待科學(xué)也極富挑戰(zhàn)性和冒險性,。他不拘于科學(xué)的傳統(tǒng),,時常提出一些新奇的科學(xué)概念和理論,如分?jǐn)?shù)電荷夸克,,因而常有人認(rèn)為蓋爾曼有些“離經(jīng)叛道”,。他獨特的文學(xué)風(fēng)格還時常在他的科學(xué)方案的命名中反映出來,如“八重法”,、“夸克”和“顏色”等術(shù)語,。
蓋爾曼的興趣愛好十分廣泛。他喜歡滑雪、登山旅行,,他喜歡研究野生動物和鳥類,。他是一個癡迷的鳥類觀察者,他曾漫游了大半個世界去尋找新奇的鳥類,,并用他的望遠(yuǎn)鏡觀察到了數(shù)百種鳥,。他還喜好音樂和娛樂。對待生活,,他喜愛尋求挑戰(zhàn)和冒險,,反對單調(diào)乏味,他喜歡參加各項活動,。此外,,他還對美國的教育、科學(xué)和宗教,、科學(xué)與藝術(shù),、日益增長的人口問題以及日益惡化的自然環(huán)境等方面發(fā)表過自己獨到的見解。
蓋爾曼的主要科學(xué)貢獻(xiàn)之一是關(guān)于奇異量子數(shù)的研究,。20世紀(jì)40年代末到50年代初,,人們首先是從宇宙線實驗,隨后是在加速器實驗中,,發(fā)現(xiàn)了一批行為“奇特”的粒子(奇異粒子),。這些粒子的奇特之處在于它們通過強(qiáng)作用產(chǎn)生,卻通過弱作用衰變,,這按當(dāng)時的理滄是無法解釋的,。如何解釋奇異粒子的這種大的產(chǎn)生截面和長的衰變壽命這一矛盾現(xiàn)象呢?1952年,,A·佩斯提出了協(xié)同產(chǎn)生的假設(shè)。他認(rèn)為奇異粒子只能成對地通過強(qiáng)相互作用產(chǎn)生或消失,。但這一假設(shè)看起來更像一條經(jīng)驗法則,,而不是一個“解釋”。 1952年初,,剛到芝加哥大學(xué)的蓋爾曼也開始研究奇異粒子問題,。由于他對同位旋一直很感興趣,所以他開始考慮是否同位旋可以用來解釋奇異粒子行為,,并試圖用同位旋 I =5/2去描述奇異粒子,。大約在該年5月,他在普林斯頓高級研究院做了一次報告,。在報告中,,他想說明同位旋為5/2假設(shè)時,卻錯誤地說成1,這使蓋爾曼開始思考他的這一口誤,,并很快產(chǎn)生了奇異數(shù)的想法,。同年8月,他發(fā)表了有關(guān)奇異數(shù)的重要論文“同位旋和新的不穩(wěn)定粒子”,。 后來,,在1954年7月的格拉斯哥會議上,他與A·佩斯聯(lián)名提交了有關(guān)奇異數(shù)方面的論文,,并從實驗中總結(jié)出在弱相互作用中ΔI = 1/2的選擇定則,。蓋爾曼又于1956年發(fā)表了題為“作為位移荷多重態(tài)的新粒子的解釋”的論文,進(jìn)一步詳細(xì)地論述了他的奇異量子數(shù)概念,,并提出了蓋爾曼-西島法則(日本物理學(xué)家K·西島和彥于1955年獨立地提出了奇異量子數(shù)方案,。當(dāng)時西島和彥稱奇異數(shù)為η 荷)。關(guān)于“奇異”一詞,,蓋爾曼最初采用了“好奇”(Curious),,后來改用“奇異’(Strange)。這一詞來自F·培根的詞句“在比例中不具有某種奇異性是不會成為至美的”,。 奇異數(shù)方案的基本思想是:當(dāng)時有些強(qiáng)子可劃分為同位旋的多重態(tài),,如質(zhì)子和中子可作為同位旋的二重態(tài)。人們曾嘗試將具有奇異數(shù)的粒子進(jìn)行類似的劃分,,但都沒成功,。蓋爾曼研究發(fā)現(xiàn),奇異粒子多重態(tài)的荷電中心與核子二重態(tài)的荷電中心+1/2是有偏離的,。他想,,這一位移可能表示奇異粒子的一個基本量,因而他假定一個粒子的奇異數(shù)等于該粒子多重態(tài)的荷電中心與+1/2之差的2倍,。規(guī)定非奇異粒子(質(zhì)子,、中子)的奇異數(shù)S為0,而奇異粒子的奇異數(shù)S不等于0,,如Λ,,K0,K-的S為-1,,K+,,K0為+1。他還指出,,在強(qiáng)作用中,,奇異數(shù)是守恒的,這解釋了為什么奇異粒子的衰變不能由強(qiáng)作用引起以及在非奇異粒子的碰撞中奇異粒子為什么會成對產(chǎn)生,。他還證明,,電磁作用中奇異數(shù)也是守恒的,,而在弱作用中奇異數(shù)不守恒。
奇異數(shù)方案的提出,,不僅解釋了奇異粒子的行為,,而且還預(yù)言了一些新的奇異粒子,這些粒子后來陸續(xù)為實驗所證實,。它不僅建立了基本粒子與相互作用之間的一個邏輯,、簡明的關(guān)系,而且為后來強(qiáng)子分類的研究工作奠定了基礎(chǔ),。奇異數(shù)守恒已成為粒子物理學(xué)中的一個基本原則,。
50年代初,蓋爾曼在研究奇異量子數(shù)的同時,,還從事了許多其它重要課題的研究,。1953年,他與M·戈德伯格合作,,試圖從定域場論中推導(dǎo)出盡可能多的一般結(jié)果,。1954年,為了能夠從強(qiáng)作用理論中得到一些準(zhǔn)確的結(jié)論,,以便于實驗檢驗,,他們提出了色散關(guān)系,這是50年代研究強(qiáng)相互作用的重要嘗試之一,。色散關(guān)系從1955年至1959年也一直是蓋爾曼的一個研究課題,,同時他對S-矩陣?yán)碚摰陌l(fā)展起到了重要作用。1953年夏,,他與好友F·洛還研究了后來稱為重正化群的理論,。這一工作已成為有關(guān)理論的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)。他們的工作經(jīng)過進(jìn)一步的發(fā)展,,對70年代發(fā)展起來的量子色動力學(xué)等規(guī)范理論起著重要的作用,。
1956年,李政道和楊振寧關(guān)于弱作用宇稱不守恒的提出,,導(dǎo)致了粒子物理學(xué)家對弱作用本質(zhì)的研究,。從1957年春天到夏天,蓋爾曼同A·羅森費爾德開始研究弱作用,,蓋爾曼得出了普適的費米作用具有V-A形式的假設(shè)。隨后,,他與R·P·費曼于1958年發(fā)表了“費米相互作用理論”的論文,。這一理論給出了弱作用的普適形式(與此同時,G·蘇達(dá)香和R·馬夏克也提出了類似的想法),。這是經(jīng)過20多年曲折發(fā)展以后達(dá)到的關(guān)于弱作用的正確的唯象理論,。該文還提出了弱作用由中間矢量玻色子傳遞的思想,為弱電統(tǒng)一理論的發(fā)展開辟了道路。同時,,論文中他們首先將流的概念應(yīng)用到弱作用,,并發(fā)展成流代數(shù)。蓋爾曼所提出和發(fā)展的流代數(shù)是60年代強(qiáng)作用唯象理論研究的主流之一,。人們曾利用流代數(shù)得出矢量守恒(CVC),、軸矢流部分守恒(PCAC)、阿德勒-韋斯伯格求和規(guī)則和其他一些低能定理,。同時它對蓋爾曼研究八重法和夸克模型都起到了重要作用,。
1959年至1960年期問,蓋爾曼應(yīng)邀來到法國,,在法蘭西學(xué)院及巴黎的其他研究機(jī)構(gòu)作為期一年的訪問研究,。在那里,他同M·利維合作繼續(xù)研究他與費曼已開始的關(guān)于戈德伯格-特里曼(Goldberger-Treiman)關(guān)系式的推導(dǎo),,這導(dǎo)致了軸矢流的散度與π場成正比的想法,。于是他同M·利維等人得出部分軸矢流守恒定理(中國物理學(xué)家周光召也在同年(1960)獨立地發(fā)表了這一理論)。 1960年3月,,美國的S·L·格拉肖也來到法國進(jìn)行學(xué)術(shù)報告,。在這里,他與蓋爾曼對弱電統(tǒng)一規(guī)范理論進(jìn)行了討論,,而且蓋爾曼還鼓勵格拉肖發(fā)表了他的關(guān)于弱電統(tǒng)一理論的論文(1961年),。這篇重要的論文使格拉肖與溫伯格、薩拉姆共同分享了1979年度諾貝爾物理學(xué)獎,。蓋爾曼之所以對格拉肖的工作感興趣,,原因是自1958年提出V-A理論后,他也在思考用楊-米爾斯規(guī)范理論來統(tǒng)一描述弱作用和電磁作用的問題,。1960年秋季,,格拉肖應(yīng)蓋爾曼之邀,來到加州理工學(xué)院做一年的訪問研究,。這期間,,蓋爾曼同格拉肖一起進(jìn)一步研究了如何將楊-米爾斯理論應(yīng)用到弱電作用和強(qiáng)作用中。正是此時,,蓋爾曼了解到了李代數(shù),,這促使他提出了著名的八重法理論。
蓋爾曼的另一杰出工作是八重法理論,。到60年代初,,人們已在實驗中發(fā)現(xiàn)大量的強(qiáng)子,對這些粒子進(jìn)行有秩序,,有規(guī)律的描述乃是粒子物理學(xué)家所追求的目標(biāo)之一,。早在1949年,,費米和楊振寧曾提出π介子是由核子-反核子組成的假說,認(rèn)為核子是更基本的粒子,,以解釋其他一些粒子的組成,。但該理論不能解釋奇異粒子的組成。1956年,,日本物理學(xué)家坂田昌一進(jìn)一步提出了下一層次的基本粒子為p,,n,Λ(Λ的奇異數(shù)為-1),。坂田模型可以很好地解釋各種介子的組成,,但在解釋重子組成時遇到了困難,如不能排除自然界中不存在的pnΛ粒子(S=-1),。 1959年,,日本的小川修三在坂田模型的基礎(chǔ)上提出了SU(3)對稱性理論。50年代末,,蓋爾曼開始試圖對日益增多的強(qiáng)子進(jìn)行分類,。1958年至1959年,他曾按坂田模型的方案對強(qiáng)子進(jìn)行了研究,,但他對這一方案并不喜歡,。1959年早期,他決定用楊-米爾斯理論來描述強(qiáng)相互作用,,隨后他研究了楊-米爾斯理論的可能推廣,。由于他當(dāng)時對群論并不熟悉,致使他沒有取得重大進(jìn)展,。 1960年12月的一次偶然的機(jī)會,,他從本院的數(shù)學(xué)助理教授R·布洛克那里了解到了李群,并且馬上意識到他所研究的八個生成元相應(yīng)于SU(3)群,。這使他很快提出了“八重法理論”,。我們知道,SU(3)群的基礎(chǔ)表示為3維,,坂田曾用這個表示來代表三個粒子(p,,n,Λ),。蓋爾曼通過研究并不相信這三個粒子是基本的,,但他也不能確定這個基礎(chǔ)表示應(yīng)當(dāng)是什么。這使蓋爾曼有些失望,,但他又不愿放棄SU(3)對稱性,。別無選擇,他只有簡單地跳過這個基礎(chǔ)表示,,而轉(zhuǎn)向下一個表示,,即8維表示。他發(fā)現(xiàn)自旋為1/2,,宇稱為正的8個重子正好適合他的八重法方案,。然而,當(dāng)他考慮下一個表示,,即10維表示時,,由于當(dāng)時只有4種相應(yīng)的自旋和宇稱的重子適合于十重態(tài),因此蓋爾曼認(rèn)為考慮十重態(tài)是很危險的,。這樣他暫時不過多地討論十重態(tài),,而是堅持八重態(tài)。 1961年新年伊始,,蓋爾曼按照他的八重態(tài)理論,,對大量粒子進(jìn)行了分類。由于每八個粒子能填人SU(3)群的8維表示中,,因而他命名他的方案為“八重法”,,這是依據(jù)佛教關(guān)于八種正確的生活方式能免遭痛苦的勸說而命名的。據(jù)此曾有人將八重法與東方神秘主義相聯(lián)系,,這是蓋爾曼所不愿意的,,因為他并不相信神秘主義,只是借用一下術(shù)語而已,。同年,,蓋爾曼將他的八重法方案寫成報告:“八重法:一個強(qiáng)作用對稱性的理論”,并于1962年正式發(fā)表了“重子和介子的對稱性”這篇重要論文,,進(jìn)一步討論了八重法方案(與此同時,,以色列的Y·尼曼也獨立地提出了八重法理論)。 八重法理論正如元素周期表一樣,,將大量已知的粒子進(jìn)行了有規(guī)則的劃分,,并且根據(jù)某一族八重態(tài)中尚且空余的位置來預(yù)言新的粒子的存在及其性質(zhì)。為了使人們發(fā)現(xiàn)這些粒子,,蓋爾曼曾建議建造較高能量的加速器,。蓋爾曼在提出SU(3)八重法分類的同時,還根據(jù)對稱性破缺的思想,,提出了一個質(zhì)量公式,。如果SU(3)對稱性是精確的,那么一個超多重態(tài)中粒子應(yīng)具有相同的質(zhì)量,,然而事實并非如此,。按照“質(zhì)量公式”,超多重態(tài)中的粒子質(zhì)量并不是無規(guī)則的,,而是服從一個相當(dāng)簡單的關(guān)系式,。由于日本的S·大久保也于1962年獨立地給出這一關(guān)系式,,故人們常稱其為蓋爾曼-大久保質(zhì)量公式。
使八重法理論取得重大勝利的事件是Ω-粒子的發(fā)現(xiàn),。1962年元月,,在歐洲核子研究中心召開的一次會議上,一些實驗工作者報告了他們的實驗數(shù)據(jù),。這些數(shù)據(jù)與坂田模型是矛盾的,,而與八重法方案是吻合的。同時,,一些實驗工作者還公布了他們新近發(fā)現(xiàn)的兩類新粒子,,即Σ*和Ξ*粒子。蓋爾曼也參加了這次會議,,他立刻意識到這兩種粒子正適合于SU(3)十重態(tài)表示,,并且果斷地預(yù)言了該十重態(tài)的最后一個粒子Ω-。同時,,他還促成了布魯克海汶國家實驗室進(jìn)行尋找Ω-粒子的實驗,。果然,1964年2月,,這個實驗室的N·P·薩莫斯等人宣布了他們已證實了Ω-粒子的存在,。不像其他大多數(shù)偶然發(fā)現(xiàn)的粒子,Ω-粒子的發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義,,它不僅有力地支持了SU(3)八重法方案,,而且顯示了粒子物理理論預(yù)言的重要性同年,蓋爾曼與Y·尼曼共同編輯了《八重法》,。
1964年是使蓋爾曼在粒子物理學(xué)中的地位愈加突出的一年,。這一年,W-粒子的發(fā)現(xiàn)證實了八重法的理論預(yù)言,;也是在這一年,,蓋爾曼進(jìn)一步提出了夸克模型,由此開辟了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的新篇章,。1961年,,當(dāng)蓋爾曼提出他的八重法理論時,他并不滿足,,原因是這個理論不能回答大多數(shù)物理學(xué)家所關(guān)心的問題:難道所有的強(qiáng)子均是基本的嗎,? 另外,他在提出SU(3)八重法理論時,,跳過了基礎(chǔ)表示3,,這使他感到很不安。因為它是推導(dǎo)其他表示的基礎(chǔ)表示,它應(yīng)當(dāng)有物理意義,。對基礎(chǔ)表示最邏輯的解釋是它應(yīng)當(dāng)相應(yīng)于一種基本粒子的三重態(tài),,而其他粒子均可由它構(gòu)造出來。但蓋爾曼當(dāng)時找不到已知的粒子來填補(bǔ)它,。這個問題一直伴隨著蓋爾曼,。 1963年早期,他來到麻省理工學(xué)院講學(xué),。在準(zhǔn)備他的報告時,他試圖尋找最小的基本強(qiáng)子以填充基礎(chǔ)表示,。他發(fā)現(xiàn),,如果堅持整數(shù)電荷的觀念,那么最小的一組粒子應(yīng)為4個,。他討論了各種四個基本粒子的方案,,但均不能令人滿意。1963年3月,,他到哥倫比亞大學(xué)訪問,。在午餐期問,他同哥倫比亞大學(xué)的R·塞伯等人討論了有關(guān)八重法理論,。進(jìn)而塞伯問蓋爾曼為什么沒有考慮最重要的基礎(chǔ)表示3,?這激發(fā)蓋爾曼再次思考夸克的思想。蓋爾曼當(dāng)時向塞伯解釋了沒有考慮3的原因是它需要分?jǐn)?shù)電荷 2/3和 -1/3,。 蓋爾曼經(jīng)過當(dāng)天以及第二天的思考,,意識到如果靴帶方法是正確的話,那么任何基本的強(qiáng)子都將是不可觀察的,;如果這些粒子是不可觀察的,,那么它們就可能具有分?jǐn)?shù)電荷。這使蓋爾曼開始嚴(yán)肅對待分?jǐn)?shù)電荷的思想他認(rèn)為,,分?jǐn)?shù)電荷是可能存在的,。為了避免實驗上沒有觀察到分?jǐn)?shù)電荷的問題,蓋爾曼假定它們限制在粒子內(nèi)部,。這樣,,他就提出了夸克模型,并于1964年2月在歐洲《物理快報》上發(fā)表了關(guān)于夸克模型的論文“重子和介子的一個簡略模型”,。 該文雖然只有兩頁長和很少的公式,,但卻是現(xiàn)代物理學(xué)的一個重要里程碑。它非常簡潔地闡述了夸克模型,。蓋爾曼在文中開頭寫道:“如果我們假設(shè)破缺的八重法理論能正確描述重子和介子的強(qiáng)作用,,那么我們試圖尋找這種情況的基本解釋。”他進(jìn)而指出,,“如果我們允許電荷為非整數(shù)值,,那么可以構(gòu)造一個簡單而優(yōu)美的方案”。他指出SU(3)基本表示的三重態(tài)應(yīng)為三種夸克:上夸克u(up),、下夸克d(down)和奇異夸克s(strange),,且電荷分別為2/3,-1/3,,-1/3,。并指出,重子由三個夸克組成,,介子由一個夸克和一個反夸克組成,。 夸克模型解釋了八重法理論為什么成功地對粒子進(jìn)行了分類,給出了SU(3)對稱性的物理基礎(chǔ),,同時使奇異數(shù)和同位旋有了更深刻的意義,,如一個粒子的奇異數(shù)就是包含在它內(nèi)部的奇異夸克s的數(shù)目。 關(guān)于“夸克”一詞,,蓋爾曼取自J·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王,,三聲夸克”??淇嗽谠摃芯哂卸喾N含義,,其中之一是一種海鳥的叫聲。蓋爾曼認(rèn)為,,這適合他最初想給這些奇怪的分?jǐn)?shù)荷亞單位一個奇特的發(fā)音的想法,。同時,他也指出,,這只是一個笑話,,這是對矯飾的科學(xué)語言的反抗。 蓋爾曼在文中最后還指出,,尋找穩(wěn)定的電荷為-1/3和2/3的夸克,,將使我們進(jìn)一步確信真實夸克是不存在的。這使許多人認(rèn)為蓋爾曼并不相信夸克是真實的,。對這點蓋爾曼后來解釋到,,“我這里的意思是說,它們(分?jǐn)?shù)荷夸克)將永久地禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部”,。同時,,他并不關(guān)心本體論問題。他所說的真實粒子是指實驗上能觀察到的粒子,。
對夸克模型,,人們最初的反映是冷淡的。當(dāng)蓋爾曼在電話中告訴在大洋彼岸的歐洲核子研究中心工作的V·韋斯柯夫關(guān)于他的夸克模型時,這位老師的回答是,,“這是跨越大西洋的電話,,是花費錢財?shù)模覀儾灰懻撨@種無聊的事情”,。部分物理學(xué)家甚至到70年代初仍對夸克的存在表示懷疑,,原因是自夸克模型提出后,物理學(xué)家一直沒有發(fā)現(xiàn)自由夸克的存在,。(與此同時,,美國的G·茲韋格也獨立地提出了夸克模型,他稱這些基本的分?jǐn)?shù)荷粒子為“王牌”,。另外,,值得指出的是,相應(yīng)于夸克模型,,我國物理工作者于1965年至1966年,提出并深入研究了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的“層子模型”,。)
自70年代,,隨著高能物理實驗的進(jìn)行,特別是J/ψ 粒子的發(fā)現(xiàn)(1974年)以及弱電統(tǒng)一規(guī)范理論的成功,,使人們確信了夸克的存在?,F(xiàn)在人們認(rèn)識到夸克有六味三色,除了u,,d,,s三味夸克外,還有粲夸克c(charm),、底夸克b(bottom)和頂夸克t(top)(1995年3月美國費米實驗室宣布已從實驗上證實了最后一種夸克——頂夸克的存在,。至此,六種夸克的存在已全部被實驗證實),。每種夸克具有三種顏色(紅,、黃、綠)的自由度?,F(xiàn)今人們已確信夸克和輕子層次是目前人們達(dá)到的一個基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次,,這無疑顯示了蓋爾曼夸克模型的重要地位。
70年代早期,,蓋爾曼和H·弗里茲進(jìn)一步推廣了流代數(shù)理論,,發(fā)展了光錐代數(shù),這是一種理解標(biāo)度無關(guān)性的場論方法,。1972年,,蓋爾曼和弗里茲還發(fā)展了夸克的“顏色”量子數(shù)概念。這是繼Y·南部和韓提出夸克具有另外荷思想的重要發(fā)展。蓋爾曼對倡導(dǎo)和發(fā)展量子色動力學(xué)理論也作出了許多必要的工作,。量子色動力學(xué)(簡稱QCD)的命名就是出自蓋爾曼,。 蓋爾曼于1969年“因關(guān)于基本粒子的分類及其相互作用方面的貢獻(xiàn)和發(fā)現(xiàn)”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。瑞典皇家科學(xué)院的I·沃勒教授在授獎儀式上,,高度評價了蓋爾曼的科學(xué)工作,,并指出“十幾年來蓋爾曼在粒子物理學(xué)中一直扮演著重要的角色”;他所引進(jìn)的方法是“進(jìn)一步研究粒子物理學(xué)的最強(qiáng)有力的手段之一”,。整個國際物理學(xué)界對蓋爾曼獲得此項殊榮都表示了熱情的接受,。 蓋爾曼做出的杰出的科學(xué)成就,使他成為一名當(dāng)之無愧的粒子物理學(xué)的權(quán)威人物,。有人甚至認(rèn)為他是愛因斯坦的繼承人之一,。他在粒子物理學(xué)中的重要地位,從下面一件事可以看出,。1966年在伯克利召開的國際高能物理會議上,,會議組織者準(zhǔn)備請幾位專家分別作各個方面的進(jìn)展報告。當(dāng)對請誰來作報告而產(chǎn)生爭議時,,有人提出了一個令人鼓舞的建議:讓蓋爾曼一個人將所有的事全包下來,。由于蓋爾曼在這一領(lǐng)域的幾乎所有方面都做過工作,在90分鐘的講演中,,他權(quán)威地對整個領(lǐng)域作了評述,。
來源:《現(xiàn)代物理知識》第8卷第1期,原文題為“夸克模型的提出者一一蓋爾曼”,,(圖片來自網(wǎng)絡(luò)) |
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