透過粒子物理 看中國物理學家如何探索強子結構

文／本刊記者 史 詩

“20世紀見證了物理學無與倫比的進步。如果說，前半葉由相對論和量子力學所主導，那么毋庸置疑，后半葉的明星就是粒子物理學。”科普圖書《神奇的粒子世界》中，這樣描述粒子物理的地位。

7月6日，在“2021量子科技系列報告”第二講上，中國科學院自然科學史所副研究員劉金巖作《探索物質微觀結構——層子模型構建歷史》的主題報告。她基于中、日、俄及英文檔案等史料，以20世紀50-60年代粒子物理的國際和國內發展為背景，介紹中國物理學家在上個世紀60年代中期探索強子結構，提出層子模型的過程以及層子模型的主要研究成果、后續發展、國際評價及影響。

粒子物理的誕生：“脫胎于”核物理

繼電子、中子和質子等粒子發現后，物理學家又提出中微子和Pi介子假說。這一時期他們通常借助宇宙線或者低能加速器開展實驗。1932年，物理學家利用宇宙線發現第一個反粒子。1939年，物理學家在伯克利建造了60英尺高回旋加速器。

另一方面，由于物理學家在第二次世界大戰中研制原子彈和雷達發揮的重要作用，使得他們在戰爭結束重返科學研究中獲得充裕經費。

自20世紀50年代起，歐美各國紛紛興建高能加速器，包括直線加速器和回旋加速器。其中比較有代表性的是50年代初開工建造的歐洲核子中心，這個加速器目前的能量已經達到14個TeV，是世界上能量最高的加速器。

在物理界，一般獲取粒子的方法是通過加速器，讓粒子以極高的能量相互碰撞，從而將粒子“打碎”，直到在我們現有的條件下不能再“碎”，那就是目前我們已知的最小粒子。

“我們知道的上帝粒子就是在歐洲核子中心的大型強子對撞機上發現的。這些加速器的建造打開了人工制造新粒子大門。”劉金巖坦言，到了20世紀60年代，隨著實驗上發現一系列新粒子，物理學家對于這些新粒子很棘手，粒子物理當時處于一個“進退兩難”的處境。

劉金巖稱，隨著新粒子的大量發現，粒子物理學家迫切需要對上百種粒子進行分類，找出它們之間內在聯系及其根源，提出新的概念和理論模型，比較著名的是坂田昌一在1955年提出的坂田模型，它認為物質的基本組元是質子、中子和Λ粒子。此后提出的“八重法”方案可以有效對基本粒子分類，此外還有1964年由蓋爾曼和茲威格分別獨立提出的夸克模型或艾斯模型，認為基本粒子由攜帶分數電荷的夸克或艾斯構成。不過，當時的實驗物理學家和理論物理學家都不歡迎夸克這一概念。

粒子物理在中國：唯物辯證法下的層子模型構建

物理學在中國的發展得益于一批留學歐美物理學家歸國后的推動。20世紀20年代出國留學學物理的代表人物有吳有訓、葉企孫、嚴濟慈、周培源和王守競。他們分別在X射線散射、普朗克常數測定、光譜學、相對論、量子力學和熱力學統計等物理學各分支有所建樹。劉金巖特別提到，這些人致力于推動現代物理學在中國的發展，在中央大學、清華大學、北京大學，北平研究院等大學和研究機構設置現代物理學課程并培養人才。中國粒子物理學理論研究起步較晚，主要依靠20世紀30—40年代留學歐洲或美國的張宗燧、馬仕俊、彭桓武、胡寧和朱洪元回國后的推動。

1956年，國家制定“十二年科學技術發展規劃”，其中原子核與基本粒子物理學研究是物理學科重點發展的方向之一。同時，“自然科學中若干重要的基本理論問題”被列入規劃中的第56項問題。1957年，李政道和楊振寧獲得諾獎，激勵一批年輕人選擇粒子物理專業。此外，參與蘇聯聯合原子核研究所的工作也為新中國培養了一批粒子物理人才。

1963年，毛澤東格外關注刊登在《自然辯證法研究通訊》雜志上一篇由俄文轉譯的坂田昌一文章。這篇文章的題目為《基本粒子的新概念》。毛澤東多次稱贊坂田在科學研究中注意辯證唯物主義，且其堅持的物質無限可分思想與坂田在科學研究中堅持的原則產生共鳴。“坂田昌一的基本粒子可分觀點引起毛澤東的注意，這與他希望中國盡快研制原子彈以及關心物理學中的哲學問題有關。還與當時正在中國進行的有關‘一分為二’和‘合二為一’的大討論有關”劉金巖介紹說。

這件事也影響了中國粒子物理學家的研究方向。此外，1966年即將在北京召開暑期物理討論會，中國物理學家要為這次會議做學術準備。中國物理學家充分利用這些機會，來自中國科學院原子能研究所、數學研究所、北京大學和中國科學技術大學的科研人員組成了大的研究組，后來這一研究組被稱為“北京基本粒子組”。事實上，這些機構的科研人員在20世紀50年代末、60年代初就保持了良好的交流合作機制。

自1965年9月起，北京基本粒子組經過幾個月的工作，提出強子的結構模型。劉金巖解釋稱，“層子的命名是在1966年北京暑期物理討論會召開前，由原子能所的冼鼎昌向時任原子能所所長的錢三強建議的，這也符合毛澤東的物質無限可分思想，即基本粒子有結構，由層子組成，層子又是由更深一層的層子構成?！?/p>

中國物理學家提出層子模型順應了粒子物理學的發展趨勢，盡管未取得預期的國際影響，但為中國粒子物理后來在理論和實驗上取得的重要成果奠定了人才基礎。