禁閉中的夸克

理論物理學是對自然界各個層次物質結構和運動基本規律進行理論探索和研究的學科。物理學基本理論的建立是一個需要長期積累的、艱苦的過程，它需要各種思維類型的科學工作者，特別是高素質的優秀人才相互合作、多方探索方可取得突破。而正確的理論一旦建立，常會出人意料地把許多表面上看起來互不相干的現象聯系起來，發揮理論的指導作用，帶動物理學、其他自然科學乃至技術科學的發展。

本世紀物理學發生了兩次重要革命：相對論和量子力學。這些開創性研究最基本的目的是尋求自然界物質運動的統一規律。從物理學誕生之日始，這一目的就沒有改變過。牛頓的引力論和物體運動的力學規律將天體的運動與日常生活中常常見到的諸如蘋果落地的運動統一起來；麥克斯韋的電磁理論又將電與磁兩類不同的現象統一起來；愛因斯坦花費了他的后半生尋求引力與電磁相互作用的統一理論，但沒有成功；電磁相互作用與弱相互作用的統一理論是60年代末提出的，由此給出的粒子物理中的標準模型是最成功的理論。然而，距離愛因斯坦的理想還有很長的距離。

如今，人們已經發現了許多基本粒子，這些基本粒子是構成這個物質世界的基石。但是，基本粒子真的就是“基本”的嗎？難道它們就不可再分嗎?近40年來大量實驗事實表明，至少有一種名為強子的基本粒子是有內部結構的。

1964年，著名的美國科學家蓋爾曼提出了夸克模型，認為介子是由夸克和反夸克所組成，重子是由三個夸克組成。他因此獲得了1969年諾貝爾物理獎。此后，在這方面的研究一直是物理學的頂尖研究課題。我們從以下的諾貝爾物理獎得主可以看出。

1965年，費曼、施溫格、朝永振一郎因在量子電動力學重整化和計算方法的貢獻，對基本粒子物理學產生深遠影響而獲物理獎。溫伯格和薩拉姆等以夸克模型為基礎，完成了描述電磁相互作用和弱相互作用的弱電統一理論，他們因此而獲1979年諾貝爾物理獎。1990年，物理學家弗里德曼、肯德爾和泰勒因在粒子物理學夸克模型發展中的先驅性工作而獲物理獎。而在今年，諾貝爾物理獎授予美國加利福尼亞大學的戴維·格羅斯、加利福尼亞理工學院的戴維·波利茨和麻省理工學院的弗蘭克·威爾茨克，以表彰他們發現了強相互作用理論中的“漸近自由”現象。

那么，究竟是什么原因使得夸克成為這么多杰出科學家追逐的目標呢?讓我們先從“夸克之父”蓋爾曼說起。蓋爾曼是位天才的理論物理學家，他和愛因斯坦一樣，是猶太人；1929年出生于紐約一個普通的猶太人家庭，14歲被耶魯大學錄取，22歲在麻省理工學院獲得博士學位，25歲成為加州理工學院最年輕的終身教授。

蓋爾曼具有深邃的洞察力與旺盛的創造力，他對基本粒子物理學的重要貢獻極大地加深了人類對微觀世界的了解。在科學問題的爭論中，蓋爾曼直言表達自己的看法，并不在意別人喜歡不喜歡，他認為有這樣一條原則非常重要：“最完美的形式如果與現實世界發生的事物相抵觸，就一文不值。”蓋爾曼24歲時，就發現了基本粒子的一個新量子數———奇異數，28歲就建立了正確描述弱相互作用的V—A理論，32歲提出了強子分類的八正法（相當于一個類型基本粒子的“元素周期表”），在35歲時，他創立了夸克模型。

我們都知道物質是由原子構成的，原子是由原子核和電子構成的，而原子核又是由質子和中子構成的，那么質子和中子又是由什么構成的呢?就是夸克。夸克的一個重要特性就是“永久禁閉性”。所謂“永久禁閉性”，只是一個形象的說法，意思是夸克仿佛被“永久禁閉”在由它構成的基本粒子之中，而不能被單獨地提取出來。在通常情況下，夸克總是被約束在質子和中子內部。也許有人要問，既然不能以獨立的面貌出現，那么科學家怎么知道它存在呢?因為科學家在實驗中發現，在高能量狀態下，夸克“幾乎”是在單獨活動，所以，它就被認定并命名為“夸克”。

那么，今年諾貝爾獎授予的三位科學家，他們發現的“漸近自由”是怎么回事呢?這要從強作用力說起，強作用力就是原子核內起維系作用的力量，它將質子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質子和中子束縛在一起。科學家發現，夸克之間越接近，強作用力越弱。當夸克之間非常接近時，強作用力就會非常之弱，以至于它們完全可以作為自由粒子活動，這種現象叫作“漸近自由”，即漸近不縛性。與此相反，當夸克之間的距離越大時，強作用力就越強。這種特性可以比喻為一種橡皮圈，橡皮圈拉得越長，力量就會越大。1973年，這三位科學家通過一個完善的數學模型公布了這一發現。所以，在31年后的今天，他們拿到諾貝爾物理學獎可以說是眾望所歸。

諾貝爾獎評委認為，“漸近自由”這一發現是“夸克世界中的一個多彩發現”。這一發現涉及了很多物理學的基本問題，例如：夸克如何組成我們身邊的萬物?自然中存在著哪些力以及它們怎樣相互作用等。有關夸克的這些發現導致了一個全新的理論，即量子色動力學。在量子色動力學的理論中，物理學家終于能夠解釋為什么夸克只有在極高能的情況下它才會表現為自由粒子。量子色動力學對標準模型作出了重要貢獻。所謂標準模型，是一種物理理論，它描述了與電磁力、強作用力、弱作用力有關的物理現象。也就是說，距離那個偉大的夢想，為重力、電磁力、強作用力、弱作用力構建一個統一的理論，科學家們又前進了一步。

【許浩／文朱慶和／薦 選自《百科知識》2004年12月】