對(duì)強(qiáng)相互作用的認(rèn)知過(guò)程

摘要

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(guò)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(jiǎn)要介紹與強(qiáng)相互作用相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)，并以此為載體梳理我們?cè)谔剿魇澜绲倪M(jìn)程中對(duì)強(qiáng)相互作用的認(rèn)知過(guò)程。

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(guò)長(zhǎng)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(wàn)有引力定律，成功地解釋了行星的運(yùn)動(dòng)軌跡。

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，賦予了引力幾何的本質(zhì)。1785年，庫(kù)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(kù)侖定律。庫(kù)侖定律是電磁現(xiàn)象中的第一個(gè)定量公式，經(jīng)過(guò)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(wú)法解釋的現(xiàn)象——原子核結(jié)構(gòu)與中子衰變。對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的研究使我們認(rèn)識(shí)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(lái)解釋核子之間的作用力及中子的衰變。

這兩種理論經(jīng)過(guò)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(dòng)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(guò)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(jiǎng)。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(jiǎng)，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(jiǎn)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(jiǎng)。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(chǎng)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(jiǎng)。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?guó)，任教于曼徹斯特大學(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(duì)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(jiǎng)，這是他人至今，恐怕也是永遠(yuǎn)，無(wú)法達(dá)成的成就。

2.1.1 α，β射線的發(fā)現(xiàn)

1895年，德國(guó)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(dòng)——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(guó)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(huì)被電磁場(chǎng)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(jí)。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(wú)疑的證據(jù)——α射線的光譜與1895年在太陽(yáng)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(guó)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(lái)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(duì)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(guó)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(guò)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(huì)變成其他元素。長(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)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(jiǎng)。

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(dòng)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(lái)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(guò)金箔，幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，要么所有的α粒子都不能穿過(guò)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(guò)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(huì)探測(cè)到α粒子。

馬斯登的結(jié)果——約萬(wàn)分之一的α粒子會(huì)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]?！睘榱私忉屵@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(duì)后續(xù)認(rèn)識(shí)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(hào)。盧瑟福猜測(cè)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(hào)來(lái)寫是

盧瑟福認(rèn)定這個(gè)過(guò)程是第一個(gè)人造的元素轉(zhuǎn)換過(guò)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(duì)同位素本質(zhì)的研究獲得1921年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。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(guò)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(jiǎng)。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(cè)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(duì)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(jiǎng)。1912年，26歲的丹麥物理學(xué)家玻爾受邀來(lái)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(dòng)會(huì)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(jiǎng)。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(guò)降低溫度使蒸氣達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，此時(shí)如果有帶電粒子射入，就會(huì)在路徑上產(chǎn)生離子，過(guò)飽和蒸氣會(huì)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(duì)認(rèn)識(shí)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(jiǎng)。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(guò)十年。1930年德國(guó)的物理學(xué)家博特(Walther Bothe)與學(xué)生貝克用钚輻射出來(lái)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(guó)的小居里夫婦(Frédéric and Irène Joliot-Curie)也觀測(cè)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(cè)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(jiǎng)。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(cè)到了鋇[13]。這和之前觀測(cè)到的α，β，γ衰變完全不同。后來(lái)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(duì)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(jiǎng)。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(guò)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(cè)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(cè)到了正負(fù)電子對(duì)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(duì)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(jiǎng)。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(guò)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(tái)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(jiǎng)。一戰(zhàn)之后卡皮察來(lái)到英國(guó)，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(chǎng)。1934年他回到蘇聯(lián)探親，但蘇聯(lián)政府不允許他再回英國(guó)。盧瑟福給蘇聯(lián)政府去信交涉無(wú)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(gòu)買了蒙德實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器，成立了物理問(wèn)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(jiǎng)。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(tái)人工核反應(yīng)堆，參與美國(guó)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(huì)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(wú)需克服庫(kù)侖勢(shì)能就可以被原子核俘獲，進(jìn)而誘發(fā)核反應(yīng)。經(jīng)過(guò)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(duì)于輕的原子核，中子所帶來(lái)的能量會(huì)被放出的質(zhì)子或α粒子帶走，而對(duì)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(cè)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(hào)元素。由于他們沒能將這些新元素分離出來(lái)，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(jiǎng)委員會(huì)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(jiǎng)?lì)C給了他。就在諾獎(jiǎng)?lì)C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(lái)看，盡管諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)給費(fèi)米的獲獎(jiǎng)理由是錯(cuò)的，但是應(yīng)該沒有人會(huì)質(zhì)疑費(fèi)米獲得諾貝爾獎(jiǎng)的合理性——他在很多方面都做出了諾獎(jiǎng)級(jí)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(wú)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(lái)描述β衰變，該理論經(jīng)過(guò)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(lái)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(duì)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(jiǎng)。1932年中子被發(fā)現(xiàn)之后，人們漸漸意識(shí)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(guò)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(lái)解釋核子之間的吸引力[18]。類似于帶電粒子通過(guò)交換光子實(shí)現(xiàn)電磁相互作用，核子通過(guò)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(~10-15m)，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(guò)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(jiǎng)。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(duì)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?cè)谟钪嫔渚€中觀測(cè)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(cè)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(duì)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(jiǎng)。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(duì)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—?？ㄌ囟ɡ?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(duì)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(huì)急劇變強(qiáng)。他還注意到核子滿足的對(duì)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(duì)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(jiǎng)。在人們認(rèn)識(shí)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(wèn)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(lái)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(kù)侖力、非對(duì)稱性、核子配對(duì)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(jí)，每當(dāng)一個(gè)能級(jí)上的態(tài)被填充滿時(shí)，原子核就相對(duì)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(dòng)和核子運(yùn)動(dòng)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(jiǎng)。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(cè)原子核作為一個(gè)整體，其形狀會(huì)受到內(nèi)部每個(gè)核子運(yùn)動(dòng)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(wèn)，與雷恩沃特交流后更一般性地研究了這個(gè)問(wèn)題，探討了單個(gè)核子的運(yùn)動(dòng)對(duì)原子核整體運(yùn)動(dòng)的影響。A.玻爾回到哥本哈根后與莫特爾松一起對(duì)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(lái)[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(lái)源而獲得1967年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(guó)于1935年移民美國(guó)，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(huì)，他本無(wú)意參加這個(gè)自己不感興趣的會(huì)議，但泰勒(Edward Teller，被譽(yù)為美國(guó)氫彈之父)說(shuō)服了他。會(huì)議上貝特了解到了太陽(yáng)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(guò)程來(lái)解釋太陽(yáng)的能量來(lái)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(guò)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(guò)計(jì)算貝特發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)溫度附近，這兩種過(guò)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(guò)程成功地解釋了恒星能量的來(lái)源。

圖2恒星中的氫—?dú)滏?a)和碳—氮—氧循環(huán)(b)過(guò)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(duì)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(wèn)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(jiǎng)。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(shì)能以熱的形式被釋放出來(lái)。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(cè)出了宇宙元素豐度的分布(其實(shí)是太陽(yáng)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(huì)出現(xiàn)圖中所示的這些趨勢(shì)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(duì)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(cè)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(jiǎng)。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(chǎng)中會(huì)定向排列。電磁場(chǎng)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(lái)的位置時(shí)，它們會(huì)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(cè)量方法來(lái)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(jiǎng)。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(huì)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(dòng)。這些被稱為聲子的振動(dòng)具有固定的能級(jí)，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(dòng)，中子輻射通過(guò)有規(guī)律的原子結(jié)構(gòu)就會(huì)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(lái)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(dòng)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(jiǎng)。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(dòng)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(shù)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(cè)其磁矩應(yīng)為。但施特恩測(cè)出的質(zhì)子磁矩卻是理論預(yù)測(cè)值的大約2.5倍，即μp?≈ 2.5μN(yùn)。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(jiǎng)。被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，核子是否是基本粒子一直是大家關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。施特恩測(cè)量得到的質(zhì)子磁矩與點(diǎn)粒子嚴(yán)重偏離，說(shuō)明質(zhì)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；舴蚴┧乩秒娮印|(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(jiǎng)。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(guò)充滿接近沸點(diǎn)的液體室時(shí)，它們所經(jīng)過(guò)的原子會(huì)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(huì)出現(xiàn)氣泡，然后我們可以對(duì)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(cè)到了更多的粒子，對(duì)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(jiǎng)。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(guò)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(cè)量系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的方法來(lái)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(jiǎng)。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(duì)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(lái)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(duì)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(jiǎng)。在原子核、強(qiáng)子研究發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)弱相互作用的認(rèn)識(shí)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(duì)撞和正負(fù)電子對(duì)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ψ5)。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(cè)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(jiǎng)。

蓋爾曼和茨威格提出的夸克模型可以很好地對(duì)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(wèn)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(shuō)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(duì)稱而非全同費(fèi)米子需要滿足的交換反對(duì)稱。

為解決第二個(gè)問(wèn)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(duì)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(duì)稱性。引入了新的顏色自由度后，新的問(wèn)題隨之而來(lái)。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(cè)到自由的夸克。

如果探測(cè)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(dòng)量轉(zhuǎn)移的幾率很高(圖5)。這種大能量和大動(dòng)量轉(zhuǎn)移的過(guò)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(dòng)量的平方，縱坐標(biāo)為散射截面與相對(duì)論性粒子的庫(kù)侖散射截面(莫特截面)的比值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示大動(dòng)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(jiǎng)。量子色動(dòng)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(duì)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(chǎng)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(jiǎn)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(guó)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(wú)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(guò)交換膠子形成強(qiáng)子的能譜，也無(wú)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(dòng)能和勢(shì)能比一對(duì)正反夸克的質(zhì)量還大，膠子可變成正反夸克對(duì)，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(cè)已確立除了3個(gè)價(jià)夸克uud外，還存在膠子場(chǎng)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(guò)高能電磁探針與核子的深度非彈散射測(cè)量核子的夸克—膠子結(jié)構(gòu)函數(shù)，二是通過(guò)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(guó)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(duì)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(guó)際最前列。美國(guó)物理學(xué)會(huì)主編的Physics雜志近十年來(lái)評(píng)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(guó)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(guó)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(guó)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(jí)綜述期刊撰寫相關(guān)綜述[39，40]。對(duì)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(lái)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(lái)了原子核的殼層模型和集體運(yùn)動(dòng)模型；那么對(duì)強(qiáng)子能譜的研究又會(huì)為我們帶來(lái)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(lái)，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(guò)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(dòng)模型成功地解釋了自然界中觀測(cè)到的穩(wěn)定原子核的結(jié)構(gòu)，但高速旋轉(zhuǎn)、超級(jí)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(duì)理解宇宙中各種化學(xué)元素核合成的過(guò)程及豐度分布等核天體物理問(wèn)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(duì)這些超核性質(zhì)的研究也會(huì)加深我們對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的重子化學(xué)勢(shì)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(huì)形成核物質(zhì)。

(2)強(qiáng)子氣體(hadron gas)。當(dāng)重子化學(xué)勢(shì)不大，同時(shí)具有非零的溫度時(shí)，強(qiáng)子會(huì)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(shì)，保持低溫，強(qiáng)相互作用的物質(zhì)會(huì)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(huì)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(shì)(可簡(jiǎn)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(shì)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(duì)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(shì)時(shí)，隨著系統(tǒng)溫度的升高，系統(tǒng)會(huì)從強(qiáng)子氣體相平滑過(guò)渡到夸克—膠子等離子體相。流體動(dòng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC/BNL)和歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)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(guó)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(guó)科學(xué)院近代物理所的重離子冷卻儲(chǔ)存環(huán)(CSR)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

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(guò)了約一百年的探索，人們對(duì)強(qiáng)相互作用有了比較全面的認(rèn)識(shí)，但我們?nèi)悦媾R著很多待解之謎。我國(guó)大科學(xué)裝置的發(fā)展，包括北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCII)、HIAF等，理論和實(shí)驗(yàn)的相互配合使我國(guó)強(qiáng)相互作用物理的研究走在國(guó)際前列，未來(lái)大有可為。

注: 1)1925年，盧瑟福的學(xué)生布萊克特證明真實(shí)發(fā)生的過(guò)程應(yīng)該是

3)茨威格將其命名為ace。

4)早在1964年Bjorken和Glashow就從輕子—夸克對(duì)稱性猜測(cè)存在一個(gè)與s夸克對(duì)應(yīng)的新夸克，當(dāng)時(shí)人們并未認(rèn)識(shí)到其重要性。

5)現(xiàn)在它的名字是J/ψ，它是由構(gòu)成的基態(tài)矢量粲偶素，量子數(shù)為。 ?






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