#頭條創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽# 作為四大基本相互作用之一,，強(qiáng)相互作用的研究可以追溯到19世紀(jì)末元素天然放射性的發(fā)現(xiàn)。在隨后將近一個(gè)世紀(jì)里,，經(jīng)過眾多科學(xué)家的不懈努力,，強(qiáng)相互作用的面紗逐漸被揭開。文章將簡要介紹與強(qiáng)相互作用相關(guān)的諾貝爾獎,，并以此為載體梳理我們在探索世界的進(jìn)程中對強(qiáng)相互作用的認(rèn)知過程,。關(guān)鍵詞 強(qiáng)相互作用，亞原子結(jié)構(gòu),，強(qiáng)子結(jié)構(gòu),，諾貝爾獎
01物質(zhì)相互作用及其認(rèn)知年代
當(dāng)前物理學(xué)認(rèn)為我們的世界中存在4種基本的相互作用，分別是引力相互作用,、電磁相互作用,、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。由于相互作用的尺度不同,，這4種基本相互作用被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間也不盡相同,，如表1所示。1687年,，經(jīng)過長時(shí)間的研究并借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)與成果,，牛頓在其《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出了萬有引力定律，成功地解釋了行星的運(yùn)動軌跡,。1915年,，愛因斯坦提出了廣義相對論，賦予了引力幾何的本質(zhì),。1785年,，庫侖在《電力定律》一文中給出了描述兩個(gè)點(diǎn)電荷之間相互作用力的庫侖定律。庫侖定律是電磁現(xiàn)象中的第一個(gè)定量公式,，經(jīng)過后續(xù)實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展,，1865年麥克斯韋總結(jié)出麥克斯韋方程組，完成了電與磁的統(tǒng)一描述,。我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降膸缀跛鞋F(xiàn)象都可以用這兩種相互作用描述，但到了20世紀(jì),，我們漸漸遇到了這兩種理論無法解釋的現(xiàn)象——原子核結(jié)構(gòu)與中子衰變,。對這兩個(gè)問題的研究使我們認(rèn)識到強(qiáng)相互作用和弱相互作用的存在,。1934年，湯川秀樹和費(fèi)米分別提出了介子交換理論和四費(fèi)米子相互作用理論來解釋核子之間的作用力及中子的衰變,。這兩種理論經(jīng)過后續(xù)的發(fā)展與完善,，最終在20世紀(jì)六七十年代發(fā)展成為量子色動力學(xué)(QCD)與電弱統(tǒng)一理論，構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)模型的基石,。
表1 四大基本相互作用最早表現(xiàn)形式及其發(fā)現(xiàn)的年代
在強(qiáng)相互作用發(fā)展的過程中,，一大批科學(xué)家做出了很多里程碑式的工作并獲得了科學(xué)界最高的榮譽(yù)——諾貝爾獎。在第2和3節(jié)中我們將介紹與強(qiáng)相互作用相關(guān)的諾貝爾獎,，了解這些工作的基本內(nèi)容和意義,，并以此理清我們探索亞原子微觀結(jié)構(gòu)的歷史。第4節(jié)我們將簡要介紹強(qiáng)相互作用的研究前沿,。
02亞原子結(jié)構(gòu)
2.1 原子核
歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford,，1871—1937)因?qū)υ厮プ兗胺派浠瘜W(xué)的研究獲得1908年諾貝爾化學(xué)獎。盧瑟福被稱為原子核物理,、放射化學(xué),、原子物理之父。盧瑟福出生在新西蘭的一個(gè)農(nóng)場主家庭,，在新西蘭獲得文學(xué)學(xué)士,、文學(xué)碩士及理學(xué)學(xué)士之后，1895年進(jìn)入劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí),，成為湯姆孫(Joseph John Thomson)的學(xué)生,。湯姆孫因發(fā)現(xiàn)電子而獲得1906年諾貝爾物理學(xué)獎。1898年,，在湯姆孫的推薦下,，盧瑟福赴加拿大麥吉爾大學(xué)任教。1907年,，盧瑟?；氐接谓逃诼鼜厮固卮髮W(xué)并于1919年重返劍橋,，接任湯姆孫的職位成為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的第四位領(lǐng)導(dǎo),。盧瑟福是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他秉持著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待每個(gè)發(fā)現(xiàn),，做出了包括α,，β射線的發(fā)現(xiàn)，元素的衰變,，α粒子散射實(shí)驗(yàn),，原子的核式模型，質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)等等一系列意義重大的成果,，相關(guān)介紹可參考文獻(xiàn)[1],。除了自己不凡的科學(xué)成就,，盧瑟福還是一位偉大的科學(xué)導(dǎo)師。在他的學(xué)生,、助手中,，有10位獲得了諾貝爾獎，這是他人至今,，恐怕也是永遠(yuǎn),，無法達(dá)成的成就。
2.1.1 α,，β射線的發(fā)現(xiàn)
1895年,，德國科學(xué)家倫琴在研究陰極射線的時(shí)候意外地發(fā)現(xiàn)了一種新的射線——X射線，X代表未知,。這個(gè)發(fā)現(xiàn),，尤其是倫琴夫人手骨的照片，一經(jīng)公布便引起了極大的轟動——X射線就像一種可以透視的魔法,。盧瑟福在湯姆孫的建議下進(jìn)行了X射線電離性質(zhì)的研究,，這是當(dāng)時(shí)物理研究的大熱門。1896年,，法國科學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的天然放射性,，盧瑟福得知后便轉(zhuǎn)向了鈾的放射線研究。他發(fā)現(xiàn)在鈾的放射線中,，有兩種穿透性截然不同的成分,。1899年，他將鈾放射出的極易被吸收的射線稱為α射線,，而將另一種具有更強(qiáng)穿透性的射線稱為β射線[2],。雖然早期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些射線并不會被電磁場偏轉(zhuǎn)，也就是電中性的,，但盧瑟福后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示α射線帶正電且與氫原子的質(zhì)量在一個(gè)量級,。盧瑟福認(rèn)為α射線是帶有兩個(gè)正電荷的氦離子，但直到1908年他才提供了確鑿無疑的證據(jù)——α射線的光譜與1895年在太陽光中發(fā)現(xiàn)氦氣時(shí)看到的光譜一樣[3],。此外,，他還將法國科學(xué)家維拉爾于1900年發(fā)現(xiàn)的鈾的第三種放射線稱為γ射線。這些名字沿用至今,，仍是標(biāo)準(zhǔn),。
2.1.2 放射性轉(zhuǎn)變
來到加拿大后，盧瑟福繼續(xù)開展放射性的研究,。1900年,，盧瑟福在研究釷(原子序數(shù)Z=90)放射線的電離性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)釷周圍的氣體同樣具有放射性，盧瑟福稱之為釷射氣,。他對這種放射性氣體的化學(xué)本質(zhì)感到非常迷惑,，這一年，一位英國的年輕化學(xué)家索迪進(jìn)入了盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室鑒定這些放射氣體的本質(zhì),。最終他們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)釷發(fā)生的變化為
他們將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理發(fā)表，得到了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看似不可思議的結(jié)論[4]——元素在放出射線之后會變成其他元素,。長期以來,，大家認(rèn)為原子作為構(gòu)成物質(zhì)世界的基本元素，是穩(wěn)定不變的,。盧瑟福的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對這種觀念提出了挑戰(zhàn),，并因此獲得了1908年的諾貝爾化學(xué)獎。
2.1.3 原子的核式模型
湯姆孫在發(fā)現(xiàn)電子之后提出了原子的葡萄干—布丁模型——正電荷均勻地分布在整個(gè)原子中而電子就像布丁中的葡萄干一樣鑲嵌其中,。盧瑟福最初是認(rèn)同這種模型的,，“移動的電子，也就是構(gòu)成原子的組件,，需要正電荷這樣的黏漿將其束縛在一起,。”在盧瑟福研究了α粒子之后,，他決定用α粒子轟擊金箔來看其散射分布,，進(jìn)而驗(yàn)證這種原子模型——要么所有的α粒子都可以輕松地穿過金箔，幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn),，要么所有的α粒子都不能穿過金箔,，如圖1(a)所示。
圖1 湯姆孫模型(a)和盧瑟福模型(b)中α粒子散射示意圖(圖片取自維基百科詞條“Rutherford”)
1908年,，蓋革在盧瑟福的指導(dǎo)下得到了初步的結(jié)果,。他們發(fā)現(xiàn)正如預(yù)期的那樣，所有的α粒子都穿過了金箔,，而且都集中在很小的散射角內(nèi),。第二年，蓋革和盧瑟福的另外一個(gè)學(xué)生馬斯登繼續(xù)研究α散射實(shí)驗(yàn),。盧瑟福讓馬斯登看一下在大角度上是不是會探測到α粒子,。馬斯登的結(jié)果——約萬分之一的α粒子會出現(xiàn)大角度散射——讓盧瑟福大為震驚，“這是我一生中碰到的最不可思議的事情,。就好像你用一顆15英寸的大炮去轟擊一張紙而你竟被反彈回的炮彈擊中一樣[5],。”為了解釋這種現(xiàn)象,，盧瑟福提出了原子的核式模型——帶正電的原子核攜帶原子絕大部分質(zhì)量,，卻只占據(jù)中心非常小的區(qū)域，而外圍絕大部分都是空的，如圖1(b)所示,。盧瑟福推導(dǎo)了這種原子模型的散射截面,，得到的盧瑟福公式可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)中α粒子的角分布[6]。
原子的核式模型對后續(xù)認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)至關(guān)重要,。盧瑟福的學(xué)生玻爾在此基礎(chǔ)上加入量子化條件提出的行星模型成功解釋了原子光譜,，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立。
2.1.4 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)
1919年當(dāng)盧瑟福用α粒子轟擊氮?dú)獾臅r(shí)候他在接收屏上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)和氫原子一樣的信號,。盧瑟福猜測是α粒子將氮原子核打成了碳原子核和氫原子核,，用現(xiàn)在的記號來寫是
盧瑟福認(rèn)定這個(gè)過程是第一個(gè)人造的元素轉(zhuǎn)換過程——高能的α粒子可以將一個(gè)原子核打成質(zhì)量更小的原子核[7，8],。這個(gè)末態(tài)中和氫原子類似的帶電粒子被盧瑟福稱為質(zhì)子1),。
在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子之后，盧瑟福又提出了中子的概念,。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中看到的各種原子核是由帶電的氫原子核加電子組成的,，比如N-14由14個(gè)氫原子核和7個(gè)電子組成。盧瑟福認(rèn)為原子核中的質(zhì)子和電子可能形成一種中性的深束縛態(tài),，即中子,。1932年，盧瑟福預(yù)言的這種原子核中電中性的粒子被他的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn),。
2.1.5 偉大的學(xué)術(shù)導(dǎo)師
弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy,，1877—1956)因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的貢獻(xiàn)以及對同位素本質(zhì)的研究獲得1921年諾貝爾化學(xué)獎。索迪曾在1900年至1907年跟隨盧瑟福開展放射性研究,，發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)可以通過放出放射線變?yōu)槠渌?，見?1)。1913年他發(fā)現(xiàn)一種放射性物質(zhì),，即使具有完全相同的化學(xué)性質(zhì),，也可以具有不同的質(zhì)量數(shù)。索迪將它們稱為同位素[9],。
弗朗西斯·阿斯頓(Francis William Aston,，1877—1945)因利用自己發(fā)明的質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)大量非放射性元素的同位素以及提出的“整數(shù)法則(wholenumber rule)”而獲得1922年諾貝爾化學(xué)獎。阿斯頓和盧瑟福同為湯姆孫的學(xué)生,，兩人在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室共度了很多時(shí)光,，成為了非常親密的同事和知心朋友。第一次世界大戰(zhàn)之后阿斯頓回到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了當(dāng)時(shí)鑒別粒子的儀器,，提高了質(zhì)量的分辨率[10],。阿斯頓用自己設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀極大地拓展了盧瑟福和索迪開拓的同位素研究，研究了大約30種非放射性元素的同位素,，精確地測量了它們的質(zhì)量,，發(fā)現(xiàn)所有同位素的質(zhì)量都是氫原子質(zhì)量的整數(shù)倍。這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了人們對原子核結(jié)構(gòu)的理解。
尼爾斯·玻爾(Niels Bohr,，1885—1962)因?qū)υ咏Y(jié)構(gòu)及輻射規(guī)律的研究而獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎,。1912年，26歲的丹麥物理學(xué)家玻爾受邀來到曼徹斯特大學(xué)跟隨盧瑟福做博士后研究,。玻爾以盧瑟福的原子核式模型為基礎(chǔ),，提出了行星軌道模型[11]，即外圍電子只能以特定頻率,，特定軌道繞著原子核旋轉(zhuǎn),。電子可以在不同軌道之間躍遷，進(jìn)而吸收或放出相應(yīng)能量的電磁波,。玻爾之所以提出這種直觀上很難理解的假設(shè)，是為了解決盧瑟福模型中致命的不足——帶電粒子做圓周運(yùn)動會釋放電磁波損失能量,，這意味著所有的原子都是不穩(wěn)定的,，與現(xiàn)實(shí)嚴(yán)重不符。同時(shí),，這種半經(jīng)典的軌道模型也可以解釋原子的離散光譜,，促進(jìn)了后續(xù)量子力學(xué)的建立。
查爾斯·威爾遜(Charles Wilson,，1869—1959)因發(fā)明可以顯示帶電粒子徑跡的云霧室而獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎,。1896年，與盧瑟福同在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作的威爾遜發(fā)明了云霧室,，在一個(gè)封閉容器內(nèi),，輸入純凈的乙醇或者甲醇蒸氣，通過降低溫度使蒸氣達(dá)到過飽和狀態(tài),，此時(shí)如果有帶電粒子射入,，就會在路徑上產(chǎn)生離子，過飽和蒸氣會以離子為核心凝結(jié)成小液滴,，從而顯示出粒子的徑跡,。盧瑟福在湯姆孫的建議下進(jìn)行的X射線電離性質(zhì)的研究對認(rèn)識云霧室機(jī)理起到了重要作用2)。盧瑟福發(fā)現(xiàn)α和β射線后,，威爾遜首先用云霧室觀察到并照相記錄了α和β粒子的徑跡,。
詹姆斯·查德威克(James Chadwick，1891—1974)因發(fā)現(xiàn)中子而獲得1935年諾貝爾物理學(xué)獎,。查德威克自本科開始就跟隨盧瑟福學(xué)習(xí)工作并于1913年獲得碩士學(xué)位,，一戰(zhàn)后他在盧瑟福的指導(dǎo)下攻讀博士學(xué)位并在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室作為盧瑟福助手工作了超過十年。1930年德國的物理學(xué)家博特(Walther Bothe)與學(xué)生貝克用钚輻射出來的α粒子轟擊鈹核,，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一種未知的射線,。1931年，法國的小居里夫婦(Frédéric and Irène Joliot-Curie)也觀測到了這種中性射線，他們誤認(rèn)為是高能光子,。盧瑟福和查德威克不同意這種觀點(diǎn),，他們認(rèn)為這可能是之前盧瑟福所預(yù)言的中子。查德威克加班加點(diǎn)展開了中子的探測和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),。僅僅兩周之后,，查德威克就將自己的論文《可能存在的中子》[12]，寄給了Nature雜志,。
奧托·哈恩(Otto Hahn,，1879—1968)因發(fā)現(xiàn)重核裂變而獲得1944年諾貝爾化學(xué)獎。1905至1906年,，哈恩曾在麥吉爾大學(xué)作為盧瑟福的助手開展工作,，在此期間他發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)放射性元素的同位素。1939年,，哈恩和他的學(xué)生Fritz Strassman利用中子激發(fā)鈾核,，在末態(tài)探測到了鋇[13]。這和之前觀測到的α,，β,，γ衰變完全不同。后來經(jīng)Lise Meitner和Otto Frisch理論研究發(fā)現(xiàn)鈾核發(fā)生了劈裂變成了更輕的核[14,，15],，這種裂變的現(xiàn)象對后續(xù)原子能的利用至關(guān)重要。
帕特里克·布萊克特(Patrick Blackett,，1897—1974)因改進(jìn)了威爾遜的云霧室并用它研究了大量宇宙射線及核反應(yīng)中的粒子而獲得1948年諾貝爾物理學(xué)獎,。布萊克特自1921年開始，在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室工作了十年,。1925年他利用云霧室證明,，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的真實(shí)過程是式(3)而非式(2)[16]。1932年,，布萊克特將威爾遜的云霧室與蓋革計(jì)數(shù)器連在一起,，并用這種改進(jìn)的探測器發(fā)現(xiàn)了大量宇宙射線中的粒子，包括驗(yàn)證了正電子的存在,，觀測到了正負(fù)電子對的產(chǎn)生等一系列重要的結(jié)果,。
約翰·考克羅夫特和歐內(nèi)斯特·沃爾頓(John Cockcroft，1897—1967 & Ernest Walton,，1903—1995)因在人工加速的粒子對原子核的嬗變方面進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作而獲得1951年諾貝爾物理學(xué)獎,。考克羅夫特與沃爾頓都是盧瑟福在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。在盧瑟福用鐳放射的α粒子轟擊氮核得到質(zhì)子之后,，他希望得到能量更高的粒子束流轟擊原子核得到更多的反應(yīng)過程進(jìn)而詳細(xì)探究核結(jié)構(gòu),。盧瑟福將這個(gè)任務(wù)安排給了考克羅夫特與沃爾頓等人,。1932年，考克羅夫特與沃爾頓合作成功建造了一臺直流高壓加速器,，取代了天然放射α粒子束流,，第一次實(shí)現(xiàn)人工加速粒子產(chǎn)生的核反應(yīng)，開辟了粒子物理實(shí)驗(yàn)的新天地,。
彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa,，1894—1984)因?qū)Φ蜏匚锢眍I(lǐng)域基礎(chǔ)性的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎。一戰(zhàn)之后卡皮察來到英國,，在盧瑟福手下工作了14年并于1930年成為新成立的蒙德實(shí)驗(yàn)室主任,，專門研究磁場。1934年他回到蘇聯(lián)探親,，但蘇聯(lián)政府不允許他再回英國,。盧瑟福給蘇聯(lián)政府去信交涉無果，卡皮察決定轉(zhuǎn)變方向,，進(jìn)行低溫物理的研究,。在盧瑟福的幫助下購買了蒙德實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器，成立了物理問題研究所,。
2.2 中子物理
恩里克·費(fèi)米(Enrico Fermi，1901—1954)因利用中子輻射發(fā)現(xiàn)新的放射性元素及發(fā)現(xiàn)慢中子更容易誘發(fā)核反應(yīng)而獲得1938年諾貝爾物理學(xué)獎,。費(fèi)米是少有的在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都作出杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家,。理論方面，他的貢獻(xiàn)集中在統(tǒng)計(jì)物理,、量子物理,、核物理與粒子物理等領(lǐng)域。而實(shí)驗(yàn)方面,，他用中子輻射誘發(fā)核反應(yīng),，領(lǐng)導(dǎo)建造世界上第一臺人工核反應(yīng)堆，參與美國建造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”等,。
自1932年中子被查德威克發(fā)現(xiàn)之后,，便成為研究核結(jié)構(gòu)的新工具。1934年人們發(fā)現(xiàn)某些原子核吸收α粒子之后會具有放射性,。費(fèi)米決定將α粒子換作中子試試,。中子不帶電，無需克服庫侖勢能就可以被原子核俘獲,，進(jìn)而誘發(fā)核反應(yīng),。經(jīng)過一系列中子誘發(fā)的核實(shí)驗(yàn)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)對于輕的原子核,，中子所帶來的能量會被放出的質(zhì)子或α粒子帶走,，而對于重核,，更多的是釋放γ射線。根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論,，重核俘獲中子之后進(jìn)而發(fā)生β衰變,，Z將增加1。當(dāng)用中子轟擊鈾核的時(shí)候他們的確觀測到了這種現(xiàn)象——末態(tài)有很多粒子的半衰期與當(dāng)時(shí)已知的原子核都不一樣,。于是他們宣稱發(fā)現(xiàn)了第93,，94號元素。由于他們沒能將這些新元素分離出來,，他們的發(fā)現(xiàn)受到了一些科學(xué)家的質(zhì)疑,。盡管如此，諾貝爾獎委員會還是因?yàn)橘M(fèi)米發(fā)現(xiàn)了兩種新元素而將1938年諾貝爾獎頒給了他,。就在諾獎頒布的一個(gè)月后,，哈恩等人發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變現(xiàn)象[13]。很快費(fèi)米宣稱的兩種“新元素”就被證明是核裂變的產(chǎn)物,，均為已知元素的同位素,。
事后來看，盡管諾貝爾獎委員會給費(fèi)米的獲獎理由是錯(cuò)的,，但是應(yīng)該沒有人會質(zhì)疑費(fèi)米獲得諾貝爾獎的合理性——他在很多方面都做出了諾獎級的工作,。20世紀(jì)20年代，β衰變中末態(tài)電子的能量是連續(xù)的這件事已經(jīng)確鑿無疑,。為了理解這件事情,，泡利假設(shè)末態(tài)除了質(zhì)子和電子外還存在一種電中性的質(zhì)量非常小的粒子，并將其稱為“中子”,。費(fèi)米接受了這種觀點(diǎn)并將其名字改為“中微子”,。費(fèi)米還構(gòu)造了四費(fèi)米子相互作用來描述β衰變，該理論經(jīng)過后續(xù)包括李政道,、楊振寧在內(nèi)的科學(xué)家的發(fā)展,，逐漸演變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模型中的弱相互作用理論。在統(tǒng)計(jì)物理領(lǐng)域,，自旋為半整數(shù)的粒子就是以他的名字命名,，即費(fèi)米子。他分析了由費(fèi)米子構(gòu)成的理想氣體系統(tǒng)(即費(fèi)米氣體),，利用費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)來描述它們的狀態(tài)分布,。在量子物理領(lǐng)域，費(fèi)米的黃金定則描述了不同能量本征態(tài)之間的躍遷率,。此類種種,，費(fèi)米對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展舉足輕重。
2.3 核力及原子核結(jié)構(gòu)
湯川秀樹(Hideki Yukawa,，1907—1981)因在理論分析核力時(shí)預(yù)言了π介子的存在而獲得1949年諾貝爾物理學(xué)獎,。1932年中子被發(fā)現(xiàn)之后,，人們漸漸意識到原子核由質(zhì)子和中子(統(tǒng)稱為核子)構(gòu)成。但是質(zhì)子帶正電,，中子不帶電,，他們不可能通過電磁相互作用束縛在一起形成原子核。費(fèi)米為描述β衰變提出的四費(fèi)米子相互作用非常之弱,，根本不足以束縛核子[17],。1934年湯川秀樹引入一種新的相互作用來解釋核子之間的吸引力[18]。類似于帶電粒子通過交換光子實(shí)現(xiàn)電磁相互作用,，核子通過交換介子實(shí)現(xiàn)相互作用,，產(chǎn)生束縛力。湯川秀樹根據(jù)原子核的尺寸,，r~1 fm(~10-15 m),，估計(jì)出介子的質(zhì)量約為m～1/r～100 MeV。
塞西爾·鮑威爾(Cecil Powell,，1903—1969)因?qū)ρ芯亢朔磻?yīng)過程的乳膠攝影方法的發(fā)展以及使用這種方法發(fā)現(xiàn)了π介子而獲得1950年諾貝爾物理學(xué)獎,。湯川秀樹預(yù)言了傳遞核力的π介子之后，物理學(xué)家們就開始了對它的尋找,。1936年繆子(μ)被發(fā)現(xiàn),，其質(zhì)量最高可到150 MeV，非常接近湯川秀樹的預(yù)言,，所以一開始人們認(rèn)為這就是π介子,。但后續(xù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)繆子并不參與核反應(yīng)。1939—1942年,，兩位印度科學(xué)家玻色(Debendra Mohan Bose)和喬杜里(Bibha Chowdhuri)利用攝影感光片在印度的高海拔地區(qū)研究了宇宙射線[19，20],。他們在宇宙射線中觀測到了質(zhì)量約為200倍電子質(zhì)量的粒子,。1947年，鮑威爾等人改進(jìn)了這種方法,，獨(dú)立地在宇宙射線中觀測到了這種介子[21],。他們還發(fā)現(xiàn)這種介子參與了核子的相互作用，進(jìn)一步支持它就是湯川秀樹預(yù)言的π介子,。
尤金·維格納(Eugene P. Wigner,，1902—1995)因?qū)υ雍思盎玖Ｗ永碚摰呢暙I(xiàn)，尤其是基本對稱性原理的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用,，而獲得1963年諾貝爾物理學(xué)獎,。維格納在理論物理和數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)。他將對稱性廣泛地應(yīng)用在物理研究中,，很多定理,、概念都以他的名字命名,，包括維格納—埃卡特定理(Wigner—Eckart theorem),、維格納定理,、維格納分類、維格納d-函數(shù),、維格納6-j,，9-j 系數(shù)等等。20世紀(jì)20年代,，維格納將對稱性引入剛建立的量子力學(xué),，得到了一系列重要的結(jié)果。到了30年代,，維格納發(fā)現(xiàn)核子之間的相互作用在相距很遠(yuǎn)時(shí)非常弱,，而靠近時(shí)又會急劇變強(qiáng)。他還注意到核子滿足的對稱性并不區(qū)分質(zhì)子和中子,，進(jìn)而將核子束縛在一起的強(qiáng)相互作用對質(zhì)子和中子是一樣的,。
瑪麗亞·梅耶和漢斯·延森(Maria Goeppert Mayer，1906—1972 & Hans Jensen,，1907—1973)因發(fā)現(xiàn)原子核的殼層模型而獲得1963年諾貝爾物理學(xué)獎,。在人們認(rèn)識到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的之后，一個(gè)重要的問題就是原子核的各種性質(zhì)與其中質(zhì)子,、中子數(shù)量之間的關(guān)系,。由于缺乏描述核力的精確理論，人們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了唯象模型來描述原子核的性質(zhì),。最初提出的液滴模型假設(shè)原子核是由質(zhì)子和中子在電磁力與核力的共同作用下形成的液滴,，而整個(gè)液滴的能量由表面張力、體積,、庫侖力,、非對稱性、核子配對等5個(gè)方面決定,。由此提出的貝特—魏茨澤克質(zhì)量公式(Bethe—Weizs?cker mass formula)可以很好地描述原子核的性質(zhì),，但是卻不能解釋“幻數(shù)(magic number)”的存在。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，具有某些特定質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)的原子核比較穩(wěn)定,，維格納將這些數(shù)稱為“幻數(shù)”，包括2,，8,，20，28,，50等等,。為解釋這種現(xiàn)象,，1949年梅耶和延森分別獨(dú)立地提出了原子核的殼層模型[22—24]。和原子中電子的排布類似,，原子核中的質(zhì)子和中子也有不同的能級,，每當(dāng)一個(gè)能級上的態(tài)被填充滿時(shí)，原子核就相對更穩(wěn)定,。
奧格·玻爾,、本·莫特爾松和里奧·雷恩沃特(Aage Bohr，1922—2009,，Ben Mottelson,，1926—2022 & Leo Rainwater，1917—1986)因發(fā)現(xiàn)原子核中集體運(yùn)動和核子運(yùn)動之間的聯(lián)系,，以及基于這種聯(lián)系發(fā)展了原子核結(jié)構(gòu)理論而獲得1975年諾貝爾物理學(xué)獎,。1949年提出的殼層模型解釋了原子核的“幻數(shù)”現(xiàn)象，但其得到的原子核的電四極矩與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符,。1950年,，哥倫比亞大學(xué)的雷恩沃特推測原子核作為一個(gè)整體，其形狀會受到內(nèi)部每個(gè)核子運(yùn)動的影響而不再是球?qū)ΨQ的[25],。A.玻爾當(dāng)時(shí)在哥倫比亞大學(xué)訪問,，與雷恩沃特交流后更一般性地研究了這個(gè)問題，探討了單個(gè)核子的運(yùn)動對原子核整體運(yùn)動的影響,。A.玻爾回到哥本哈根后與莫特爾松一起對比了理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，發(fā)現(xiàn)他們的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，而且將殼層模型與雷恩沃特原子核形變的概念聯(lián)系了起來[26—28],。
2.4 天體核物理
漢斯·貝特(Hans Albrecht Bethe,，1906—2005)因發(fā)展了核反應(yīng)理論，尤其是用核聚變反應(yīng)解釋恒星能量來源而獲得1967年諾貝爾物理學(xué)獎,。貝特是一位著名的德裔美籍核物理學(xué)家,。1933年納粹掌權(quán)后，貝特被解雇,，他經(jīng)由英國于1935年移民美國,，成為康奈爾大學(xué)的教授,。1938年,，貝特受邀參加一個(gè)關(guān)于“恒星能量如何產(chǎn)生”的研討會，他本無意參加這個(gè)自己不感興趣的會議,，但泰勒(Edward Teller,，被譽(yù)為美國氫彈之父)說服了他。會議上貝特了解到了太陽的溫度,、密度,、元素成分等信息,。隨后貝特提出了兩種核反應(yīng)過程來解釋太陽的能量來源[29]：一種是兩個(gè)氫核變成一個(gè)氘核，氘核進(jìn)一步捕獲質(zhì)子變成4He放出能量,；另一種是經(jīng)過碳核和氮核的催化,，四個(gè)氫核變成4He并放出能量。它們分別被稱為氫—?dú)滏?p—p chain)和碳—氮—氧循環(huán)(CNO cycle),，如圖2(a),，(b)所示。經(jīng)過計(jì)算貝特發(fā)現(xiàn),，在太陽溫度附近,，這兩種過程所占比例大致相同，溫度更低時(shí)前者主導(dǎo),，反之后者主導(dǎo),。貝特提出的上述核反應(yīng)過程成功地解釋了恒星能量的來源。
圖2 恒星中的氫—?dú)滏?a)和碳—氮—氧循環(huán)(b)過程(圖片取自維基百科詞條“Proton-proton chain”和“CNO cycle”)
貝特作為一位著名的核物理學(xué)家,，還做出了很多其他重要的工作,，包括量子多體系統(tǒng)本征態(tài)參數(shù)化的貝特?cái)M設(shè)(Bethe ansatz)，核物理綜述三部曲——貝特圣經(jīng)(Bethe Bible),，蘭姆移位(Lamb shift)的解釋,，兩體束縛態(tài)滿足的相對論性方程——貝特—薩佩特方程(Bethe—Salpeter equation)等等。貝特從18歲發(fā)表第一篇學(xué)術(shù)論文,，直到90多歲還筆耕不輟,，甚至去世后還有一篇合作文章發(fā)表。他曾經(jīng)的博士后戴森(Freeman Dyson)稱他為“二十世紀(jì)重要問題解決者”,。
圖3 宇宙元素豐度曲線[30]
威廉·福勒(William Alfred Fowler,，1911—1995)因?qū)τ钪嬷行纬苫瘜W(xué)元素的核反應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究而獲得1983年諾貝爾物理學(xué)獎。宇宙中的恒星是由氣體和塵埃云形成的,。當(dāng)它們被引力拉在一起時(shí),，重力勢能以熱的形式被釋放出來。當(dāng)達(dá)到足夠高的溫度時(shí),，恒星內(nèi)部的原子核之間開始發(fā)生反應(yīng),。這些反應(yīng)是恒星發(fā)光的原因。另一方面,，在20世紀(jì)50年代,，人們已經(jīng)測出了宇宙元素豐度的分布(其實(shí)是太陽中元素的豐度)，如圖3所示,。從圖中我們可以看到如下一些特征：元素豐度隨著原子質(zhì)量的增加而指數(shù)降低,；斜率在原子質(zhì)量大于100后快速降低；氘核、鋰,、鈹,、硼等豐度遠(yuǎn)小于他們鄰居；56Fe附近顯著的尖峰,；一些雙峰結(jié)構(gòu)等等,。這些元素是怎么由最初的氫元素形成的？為何會出現(xiàn)圖中所示的這些趨勢和特點(diǎn),？在著名的B2FH文章[30]中,，福勒等證明了恒星中的核反應(yīng)可以解釋元素豐度曲線的這些特征，極大地促進(jìn)了我們對宇宙中元素的形成的理解,。
2.5 核技術(shù)應(yīng)用
費(fèi)利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾(Felix Bloch,，1905—1983 & Edward Mills Purcell，1912—1997)因開發(fā)核磁共振精密測量的新方法,，有效地研究了各種材料的成分而獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎,。原子核中的質(zhì)子和中子就像小型的、旋轉(zhuǎn)的磁鐵,，因此原子和分子在磁場中會定向排列,。電磁場可以擾亂它們的指向，但根據(jù)量子力學(xué)原理,，只能沿著特定的方向,。當(dāng)核子回到原來的位置時(shí)，它們會發(fā)射特定頻率的電磁波,，這些頻率取決于元素的種類,。1946年，珀塞爾和布洛赫開發(fā)了精確的測量方法來研究材料的成分,。這種方法如今已發(fā)展為非常成熟的技術(shù),，被廣泛地用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。
伯特倫·布羅克豪斯和克利福德·沙爾(Bertram N. Brockhouse,，1918—2003 & Clifford G. Shull,，1915—2001)因發(fā)展中子頻譜學(xué)和中子衍射技術(shù)而獲得1994年諾貝爾物理學(xué)獎。20世紀(jì)四五十年代,，隨著很多核反應(yīng)堆的建成,，其輻射出的中子為人們提供了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新探針。不同于X射線,，不帶電的中子不會受材料中電子的影響而可以直達(dá)原子核,。一方面，當(dāng)中子與材料中原子核碰撞時(shí),，中子的部分能量被轉(zhuǎn)化為晶格的振動,。這些被稱為聲子的振動具有固定的能級，形成一系列能譜,。20世紀(jì)50年代,，布羅克豪斯開發(fā)了使用這些光譜分析不同分子和材料屬性的技術(shù)。另一方面,，根據(jù)量子力學(xué)的原理,，中子和其他粒子可以被描述為一種波的運(yùn)動，中子輻射通過有規(guī)律的原子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生特定的衍射圖案,。1946年,，沙爾開發(fā)了新方法，利用這一點(diǎn)來確定不同分子和材料的結(jié)構(gòu),。中子頻譜學(xué)和中子衍射技術(shù)在后續(xù)的凝聚態(tài)物理,、材料科學(xué)等研究中發(fā)揮了極大的作用。
03夸克與量子色動力學(xué)
3.1 質(zhì)子結(jié)構(gòu)
奧托·施特恩(Otto Stern,，1888—1969)因?qū)Πl(fā)展分子射線法的貢獻(xiàn)及發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的磁矩而獲得1943年諾貝爾物理學(xué)獎,。作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，施特恩做出了很多著名的實(shí)驗(yàn),，包括最著名的施特恩—格拉赫實(shí)驗(yàn)——量子力學(xué)奠基實(shí)驗(yàn)之一,。施特恩—格拉赫實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子角動量的量子化，但其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直到烏倫貝克(G. Uhlenbeck)和古茲密特(S. Goudsmit)提出電子自旋的概念后才被完全理解,。電子的自旋是1/2,，其磁矩為
，其中g為朗德g因子,。電子為基本粒子,，不考慮電磁相互作用的高階修正，g=2,。質(zhì)子如果也是基本粒子,，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理論預(yù)測其磁矩應(yīng)為
,。但施特恩測出的質(zhì)子磁矩卻是理論預(yù)測值的大約2.5倍,，即μp ≈ 2.5μN,。這意味著質(zhì)子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu),，不可能是基本粒子。
羅伯特·霍夫施塔特(Robert Hofstadter,，1915—1990)因?qū)﹄娮印雍松⑸溥M(jìn)行了開創(chuàng)性的研究,，并由此發(fā)現(xiàn)了核子的結(jié)構(gòu)而獲得1961年諾貝爾物理學(xué)獎,。被發(fā)現(xiàn)以來，核子是否是基本粒子一直是大家關(guān)心的一個(gè)問題,。施特恩測量得到的質(zhì)子磁矩與點(diǎn)粒子嚴(yán)重偏離,，說明質(zhì)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。霍夫施塔特利用電子—質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)測量了質(zhì)子的尺寸約為0.7—0.8 fm,，進(jìn)一步確認(rèn)了質(zhì)子不是點(diǎn)狀粒子(圖4)[31],。
圖4 電子能量為188 MeV時(shí)電子—質(zhì)子微分散射截面隨散射角度的變化[31]。假設(shè)質(zhì)子為點(diǎn)狀粒子,，理論結(jié)果如曲線c所示,，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差
3.2 夸克模型與量子色動力學(xué)
唐納德·格拉澤(Donald Arthur Glaser，1926—2013)因發(fā)明氣泡室而獲得1960年諾貝爾物理學(xué)獎,。威爾遜發(fā)明的云霧室可以讓我們觀察到帶電粒子的蹤跡,。格拉澤在1952年發(fā)明的氣泡室使我們能夠研究具有更高能量的粒子。當(dāng)帶電粒子向前穿過充滿接近沸點(diǎn)的液體室時(shí),，它們所經(jīng)過的原子會被電離,。當(dāng)室內(nèi)的壓力降低時(shí)，這些被電離的原子周圍會出現(xiàn)氣泡,，然后我們可以對粒子的軌跡進(jìn)行拍照和分析,。氣泡室的發(fā)明使人們探測到了更多的粒子，對強(qiáng)子譜的研究起到了重要貢獻(xiàn),。
路易斯·阿爾瓦雷茨(Luis Walter Alvarez,，1911—1988)因?qū)玖Ｗ游锢韺W(xué)的決定性貢獻(xiàn)，特別是開發(fā)了使用氫氣泡室的技術(shù)和數(shù)據(jù)分析,，發(fā)現(xiàn)了大量的共振態(tài)而獲得1968年諾貝爾物理學(xué)獎,。繼格拉澤的氣泡室之后，20世紀(jì)50年代后半期,，阿爾瓦雷茨通過使用液態(tài)氫進(jìn)一步發(fā)展了氣泡室,。他還開發(fā)了新的測量系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的方法來分析大量的數(shù)據(jù)，這使他發(fā)現(xiàn)了一大批以前未知的粒子,。
默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann,，1929—2019)因在基本粒子的分類(夸克模型)及其相互作用方面的貢獻(xiàn)而獲得1969年諾貝爾物理學(xué)獎。20世紀(jì)五六十年代,，隨著氣泡室,、氫氣泡室、粒子加速器的應(yīng)用,，人們發(fā)現(xiàn)了大量的“基本”粒子,。截至1963年，粒子數(shù)據(jù)表[32]已經(jīng)收錄了近百個(gè)“基本”粒子,，其中還包括很多不穩(wěn)定的共振態(tài),。人們很難相信這些粒子全部都是基本粒子。在蓋爾曼提出夸克模型之前,，人們就試圖理解這些“基本”粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而對它們進(jìn)行分類,，包括1956年的坂田(Sakata)模型和1961年蓋爾曼與Yuval Ne’eman提出的八重法(eightfold way),。
1964年，在前人研究基礎(chǔ)上蓋爾曼和茨威格(GeorgeZweig)獨(dú)立地引入了夸克3)這種更基本的粒子來描述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子,?？淇顺休d了SU(3)群的基礎(chǔ)表示(3)，共三種味道,，分別為上(u)，下(d),，奇異(s)夸克,，其反粒子(
)承載SU(3)群基礎(chǔ)表示的復(fù)共軛表示
。它們的量子數(shù)見表2,。在夸克模型中,，介子由一對正反夸克(
)構(gòu)成而重子由三個(gè)夸克(qqq)構(gòu)成。
表2 夸克的量子數(shù),，從上到下依次為自旋,、電荷量、同位旋,、同位旋第3分量,、奇異數(shù)和重子數(shù)
丁肇中和伯頓·里克特(Samuel Chao Chung Ting，1936— & Burton Richter,，1931—2018)因發(fā)現(xiàn)粲夸克而獲得1976年諾貝爾物理學(xué)獎,。在原子核、強(qiáng)子研究發(fā)展的同時(shí),，人們對弱相互作用的認(rèn)識也逐漸深入,。到了20世紀(jì)60年代，希格斯機(jī)制,、電弱統(tǒng)一理論相繼建立,。1970年，為了解釋與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符的味道改變的中性流的存在,，格拉肖,、伊利奧普洛斯和馬亞尼(Sheldon Glashow，John Iliopoulos & Luciano Maiani)提出GIM機(jī)制并引入了一種新夸克4)——粲夸克,。1974年,，丁肇中和里克特分別在質(zhì)子—核子對撞和正負(fù)電子對撞中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極窄的共振態(tài)[33，34],，其質(zhì)量約為3.1 GeV,。丁肇中和里克特分別將其命名為J粒子和ψ 5)。由于其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子共振態(tài),，但寬度卻很小,，它不可能是僅包含u,，d或s夸克的強(qiáng)子激發(fā)態(tài)，因此它很可能是由理論預(yù)測的c夸克構(gòu)成,。c夸克的發(fā)現(xiàn)具有極其重大的意義,，被稱為“十一月革命”——它檢驗(yàn)了當(dāng)時(shí)描述弱相互作用和強(qiáng)相互作用的理論的正確性。另外兩味更重的夸克,，底夸克(b)和頂夸克(t),，也分別在1977年和1995年被發(fā)現(xiàn)，完成了標(biāo)準(zhǔn)模型中夸克部分的拼圖,。
杰爾姆·弗里德曼,，亨利·肯德爾和理查德·泰勒(Jerome Friedman，1930—,，Henry Kendall,，1926—1999和Richard Taylor，1929—2018)因?qū)﹄娮印|(zhì)子,、電子—束縛中子的深度非彈性散射的開創(chuàng)性研究進(jìn)而證實(shí)夸克的存在而獲得1990年諾貝爾物理學(xué)獎,。
蓋爾曼和茨威格提出的夸克模型可以很好地對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的介子和重子進(jìn)行分類，將他們放入SU(3)群的多重態(tài)中,。但很快人們就發(fā)現(xiàn)了新的問題,。一方面，作為強(qiáng)子基本組分的夸克是否是真實(shí)的粒子?為什么實(shí)驗(yàn)中沒有看到自由的夸克,？還是說夸克只是作為一種輔助的理論概念方便理解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的大量的強(qiáng)子,？另一方面，人們發(fā)現(xiàn)在重子十重態(tài)中,，夸克作為費(fèi)米子似乎違反了泡利不相容原理,。比如Δ++，Δ- 和?- 在夸克模型中其夸克組分分別為uuu,，ddd和sss,。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這些粒子作為基態(tài)，總自旋為3/2并且空間波函數(shù)兩兩互為S波,。這樣其整體波函數(shù)是交換全對稱而非全同費(fèi)米子需要滿足的交換反對稱,。
為解決第二個(gè)問題，就必須引入一個(gè)被稱為顏色(color)的自由度,。每味夸克具有紅綠藍(lán)(r, g, b)三種顏色,，承載另一個(gè)SU(3)對稱性的基礎(chǔ)表示。只需上述三種重子的顏色波函數(shù)為顏色SU(3)群的單態(tài)即可滿足波函數(shù)的交換全反對稱性,。引入了新的顏色自由度后,，新的問題隨之而來。為什么實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子均為顏色單態(tài)而不存在帶顏色的呢,？為解釋這樣的現(xiàn)象人們提出了色禁閉的假設(shè)：只有顏色SU(3)群的單態(tài)才能自由地存在,。由于夸克是顏色SU(3)的三重態(tài),，我們不可能在實(shí)驗(yàn)中探測到自由的夸克。
如果探測不到自由的夸克,，那么夸克是真實(shí)存在的嗎,？20世紀(jì)60年代的深度非彈散射實(shí)驗(yàn)給出了肯定的答案[35，36]：核子內(nèi)部存在點(diǎn)狀帶電粒子,。電子—質(zhì)子深度非彈散射中出現(xiàn)大能量和大動量轉(zhuǎn)移的幾率很高(圖5),。這種大能量和大動量轉(zhuǎn)移的過程暗示質(zhì)子內(nèi)部存在定域的散射中心。
圖5 電子—質(zhì)子深度非彈散射數(shù)據(jù)[35],。橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)移動量的平方,，縱坐標(biāo)為散射截面與相對論性粒子的庫侖散射截面(莫特截面)的比值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示大動量轉(zhuǎn)移的截面并不像彈性散射那樣快速下降
戴維·格羅斯,，戴維·波利策和弗蘭克·維爾切克(David J. Gross,，1941—,，H. David Politzer,，1949— 和Frank Wilczek，1951— )因發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用的漸進(jìn)自由而獲得2004年諾貝爾物理學(xué)獎,。量子色動力學(xué)(QCD)是標(biāo)準(zhǔn)模型中描述強(qiáng)相互作用的基本理論,，它是基于顏色SU(3)對稱性的規(guī)范理論。1973年,，波利策和格羅斯及其學(xué)生維爾切克獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了非阿貝爾規(guī)范場的漸進(jìn)自由的性質(zhì)[37,，38]，表現(xiàn)為如下形式,，
其中αs表示強(qiáng)相互作用的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù),，即相互作用強(qiáng)度，b0=11-2Nf/3,，M為任意一個(gè)重正化能量點(diǎn),。當(dāng)夸克味道的數(shù)目Nf=6時(shí)，b0>0,，此時(shí)αs(Q)隨著相互作用能標(biāo)Q的變大而趨于零,，此即QCD的漸進(jìn)自由。
04強(qiáng)相互作用前沿簡介
目前強(qiáng)相互作用的研究前沿主要包括三個(gè)方面：強(qiáng)子結(jié)構(gòu),、極端條件下的核結(jié)構(gòu)和高溫高密核物質(zhì),。這三個(gè)領(lǐng)域分別占美國能源部相關(guān)方面經(jīng)費(fèi)的約30%，剩余部分分配給相關(guān)的交叉學(xué)科研究,，如核天體物理,、標(biāo)準(zhǔn)模型在核物理中的檢驗(yàn)及核技術(shù)應(yīng)用等。
4.1 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)
目前QCD是公認(rèn)的描述強(qiáng)相互作用的基本理論,。但是由于其低能非微擾的特性(QCD耦合系數(shù)在低能區(qū)不再是小量,，無法按其冪次進(jìn)行微擾展開),，我們很難直接從QCD出發(fā)嚴(yán)格計(jì)算出夸克通過交換膠子形成強(qiáng)子的能譜，也無法準(zhǔn)確地描述夸克和膠子是如何構(gòu)成強(qiáng)子的,。相比于原子結(jié)構(gòu)和原子核結(jié)構(gòu),，研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的最大困難是造成組分?jǐn)?shù)可變的非淬火效應(yīng)：強(qiáng)子中夸克的動能和勢能比一對正反夸克的質(zhì)量還大，膠子可變成正反夸克對
,，使得強(qiáng)子中的組分夸克數(shù)不確定,。即使在唯一穩(wěn)定的強(qiáng)子——最輕的重子(質(zhì)子)中，實(shí)驗(yàn)觀測已確立除了3個(gè)價(jià)夸克uud外,，還存在膠子場中產(chǎn)生的
,。除了傳統(tǒng)夸克模型中的
介子和qqq重子之外，QCD還允許其他的強(qiáng)子構(gòu)型存在,，比如四夸克態(tài),、五夸克態(tài)、混雜態(tài),、膠球等,，這些被稱為奇特強(qiáng)子態(tài)(exotic states)，如圖6所示,。
圖6 傳統(tǒng)強(qiáng)子與奇特強(qiáng)子態(tài),，QCD還允許更多夸克組分的色單態(tài)強(qiáng)子的存在
目前探索強(qiáng)子內(nèi)部夸克—膠子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)主要有兩個(gè)基本途徑：一是通過高能電磁探針與核子的深度非彈散射測量核子的夸克—膠子結(jié)構(gòu)函數(shù)，二是通過高能碰撞產(chǎn)生強(qiáng)子基態(tài)和激發(fā)態(tài),，研究強(qiáng)子譜,。
我國的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究起步于20世紀(jì)60年代的層子模型理論研究，得益于北京正負(fù)電子對撞機(jī)90年代開始的強(qiáng)子譜實(shí)驗(yàn)研究的極大促進(jìn),，目前已走在國際最前列,。美國物理學(xué)會主編的Physics雜志近十年來評選出的年度重要亮點(diǎn)成果中，強(qiáng)相互作用最亮的兩項(xiàng)成果是：(1)2013年以我國科學(xué)家為主的BESIII實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了Zc(3900)四夸克態(tài),；(2)2015年我國科學(xué)家做出突出貢獻(xiàn)的LHCb實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)Pc五夸克態(tài),。我國理論物理學(xué)家在這些多夸克態(tài)的預(yù)言和解釋方面做出突出貢獻(xiàn)，應(yīng)邀為物理學(xué)頂級綜述期刊撰寫相關(guān)綜述[39,，40],。對這些奇特強(qiáng)子態(tài)的實(shí)驗(yàn)尋找和理論研究是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，進(jìn)一步揭示了非淬火效應(yīng)在強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和夸克禁閉機(jī)制中的重要作用,。
我們從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的歷史中知道,，原子能譜的研究為我們帶來了原子的量子理論，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立,；原子核譜的研究帶來了原子核的殼層模型和集體運(yùn)動模型,；那么對強(qiáng)子能譜的研究又會為我們帶來什么新的突破性發(fā)現(xiàn)呢？讓我們拭目以待,。
4.2 極端條件下的核結(jié)構(gòu)
自門捷列夫整理出元素周期表以來,，人們一直在逐步地發(fā)現(xiàn),、制造新的元素和核素(即原子核)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的核素包括300多個(gè)自然界存在的核素以及超過3000個(gè)人工合成的核素,。而理論預(yù)期總共大約有9000個(gè)核素,。因此，還有大量的新核素等待人們?nèi)ヌ綄?，特別是很多理論模型預(yù)言可能存在的質(zhì)子數(shù)在120左右的超重核穩(wěn)定島,。經(jīng)典的核殼結(jié)構(gòu)模型和集體運(yùn)動模型成功地解釋了自然界中觀測到的穩(wěn)定原子核的結(jié)構(gòu)，但高速旋轉(zhuǎn),、超級變形,、反常中子質(zhì)子比、超重,、摻雜超子等極端條件下的不穩(wěn)定原子核出現(xiàn)了很多新的現(xiàn)象和新的結(jié)構(gòu),，如何在一個(gè)統(tǒng)一的理論框架下定量地描述所有原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是當(dāng)前核結(jié)構(gòu)物理學(xué)家面臨的一個(gè)新的挑戰(zhàn)。關(guān)于這些不穩(wěn)定核的研究對理解宇宙中各種化學(xué)元素核合成的過程及豐度分布等核天體物理問題也具有重要意義,。
除了由核子組成的原子核,，人們還嘗試向原子核中注入含有s夸克的超子(
)形成超核。對這些超核性質(zhì)的研究也會加深我們對低能強(qiáng)相互作用的理解,。此外,，原子核內(nèi)非核子自由度(多夸克態(tài),、核子激發(fā)態(tài),、介子)的貢獻(xiàn)有多大，也是一個(gè)重要的研究方向,。
4.3 高溫高密核物質(zhì)
由強(qiáng)相互作用主導(dǎo)的物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變對我們理解早期宇宙的演化及中子星等致密星體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)至關(guān)重要,。日常所見的物質(zhì)相變本質(zhì)上由電磁相互作用主導(dǎo)，我們可以從實(shí)驗(yàn)和理論中得到相應(yīng)的相圖,。類似地,，強(qiáng)相互作用的物質(zhì)的相變也由其相圖描述(圖7)。強(qiáng)相互作用的物質(zhì)包括以下幾種狀態(tài)：
(1)核物質(zhì)(nuclear matter),，由大量質(zhì)子和中子按一定密度組成的空間均勻體系,，此時(shí)的溫度接近0，飽和密度處對應(yīng)的重子化學(xué)勢約為900 MeV,。重核中心位置以及致密星體內(nèi)部可以近似看作核物質(zhì),。另外，在重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中也可能會形成核物質(zhì),。
(2)強(qiáng)子氣體(hadron gas),。當(dāng)重子化學(xué)勢不大，同時(shí)具有非零的溫度時(shí),，強(qiáng)子會以類似于氣體的狀態(tài)存在,。
(3)色超導(dǎo)(color superconductor),。增加重子化學(xué)勢，保持低溫,，強(qiáng)相互作用的物質(zhì)會進(jìn)入一個(gè)顏色超導(dǎo)體的狀態(tài),，類似于低溫下的電超導(dǎo)體。
(4)夸克—膠子等離子體(quark—gluonplasma,，QGP),。在高溫高密時(shí)，形成強(qiáng)子的夸克會混雜著膠子變成等離子體的狀態(tài),，相互獨(dú)立,。
圖7 QCD 相圖。橫軸為重子化學(xué)勢(可簡單理解為重子或夸克的數(shù)量),，縱軸為溫度
在宇宙的早期階段,，正反物質(zhì)相同，重子化學(xué)勢為零,，但又具有很高的能量,，從而那時(shí)強(qiáng)相互作用物質(zhì)很可能處于QGP狀態(tài)。而目前溫度逐漸冷卻,，我們見到的物質(zhì)處于核物質(zhì)的狀態(tài),。目前對QCD相變的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在兩個(gè)方向：
(1)高溫低密，理想氣體的研究,。格點(diǎn)QCD的計(jì)算發(fā)現(xiàn)在小化學(xué)勢時(shí),，隨著系統(tǒng)溫度的升高，系統(tǒng)會從強(qiáng)子氣體相平滑過渡到夸克—膠子等離子體相,。流體動力學(xué)模擬顯示QGP更接近理想流體,。該方向的實(shí)驗(yàn)探究主要由布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC/BNL)和歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC/CERN)進(jìn)行。
(2)低溫高密,，色超導(dǎo)的研究,。該方向主要由德國重離子研究中心的反質(zhì)子與離子研究裝置(FAIR/GSI)和蘭州中國科學(xué)院近代物理所的重離子冷卻儲存環(huán)(CSR)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。
另外,，中國科學(xué)院近代物理研究所強(qiáng)流重離子加速器裝置(HIAF)建成后將為核物理和核天體物理基礎(chǔ)研究創(chuàng)造國際領(lǐng)先水平的條件,，為重離子束應(yīng)用研究提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺，為核能開發(fā),、核安全及核技術(shù)應(yīng)用提供理論,、方法、技術(shù)和人才支撐,。
05總結(jié)與展望
強(qiáng)相互作用決定了強(qiáng)子,、原子核兩個(gè)物質(zhì)微觀基本層次的結(jié)構(gòu)，也是基本粒子、宇宙天體演化物理的重要組成部分,。盡管經(jīng)過了約一百年的探索,，人們對強(qiáng)相互作用有了比較全面的認(rèn)識，但我們?nèi)悦媾R著很多待解之謎,。我國大科學(xué)裝置的發(fā)展,，包括北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPCII)、HIAF等,，理論和實(shí)驗(yàn)的相互配合使我國強(qiáng)相互作用物理的研究走在國際前列,，未來大有可為。
