三
基础还原，是最古老的统一世界的方法。如果泰勒斯“水是始基”的断言成立，世界就统一于水。还有古希腊恩培多克勒的“四根说”，认为万物是由水、火、土、气四种元素不同配比构成的，亚里士多德的《物理学》也采纳了这种理论。用一种或少数几种性质的“元素”说明万物的万千性质的方法，是最原始的基础还原法——元素还原法。现代化学也是这种方法，发现构成万物的性质各异的元素共有92种。但元素还不是物质构成的最基本的东西，元素不过是原子，原子还有结构——电子和原子核；原子核也有结构——质子和中子。这些能构成其他物质，而不被别的物质构成的粒子，叫“基本粒子”。这种方法可以称之为“解构还原法”——对微观粒子进行分解，直至那个无法分解的粒子，就是基本粒子。
可是问题又出来了。比如在β衰变中，中子在衰变为质子的同时，放出一个电子和一个反中微子，那么中子就应该是由基本粒子——质子、电子和反中微子构成的复合粒子喽？可是又怎么解释质子在衰变为中子的同时释放一个正电子和中微子？中子在这里又成了构成他物的基本粒子，而在前一个衰变中的基本粒子——质子又成了复合粒子。历史发展到了二战后，物理学中心又转移到了远离思辨哲学故乡的美国，还原主义就没有那么深入人心。美国加州大学伯克利分院的一个研究小组就提出了一个“核民主”理论，认为所有的强子（参与强相互作用的粒子）都互为复合粒子，没有谁比谁更基本。但这种核民主，就如同古希腊那种无宪政约束的大民主必然导致无效政府一样，物理学在这种“民主”理论基础上无法建立可以计算各种物理量的有效理论。
也就是说，复合粒子与基本粒子还是要区分的，问题仅在于，如何确定这个区分标准？一个后来证明是行之有效的标准就被提出来了，一个不是根据观察而是根据理论的区分标准：如果假定一个粒子是由其他粒子构成，由此我们可以计算出它的性质，那么这个粒子就是复合粒子。马上大家就会看到：我们假设原先以为是基本粒子的质子和中子（合称“核子”）是由夸克构成的，通过对夸克的定义，我们不仅可以计算出核子的已知性质，而且对核子的未知性质也有了更深入的了解，我们就可以认定核子不是基本粒子，而是复合粒子。
乔治·茨威格（George Zweig）是1937年出身于前苏联的犹太人，以后移民美国，1957年大学毕业后到加州理工学院读研究生，费曼是他的博士导师。完成博士学业后他就开始考虑构成强子的基本粒子。1964年，他完成了一篇长达80页的论文，认为所有的强子都是由他命名为“爱司”（Ace，即朴克牌里的A）的基本粒子组成的。当他刚把论文在工作的研究所作为预印本印刷出来时，就看到了加州理工学院的盖尔曼（Murry Gell-Mann）教授发表在《物理快报》上的一篇两页纸的论文，尽管份量殊异，思路基本上一致，只是盖尔曼把这种基本粒子叫“夸克”（quark）。1929年在美国纽约出生的盖尔曼也是犹太人，父亲那一辈从东欧移民到的美国。粒子物理的夸克模型由此开工建设。
所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子(Hadron)。强子包括重子和介子，前者是构成物质的粒子，后者是传递相互作用的粒子。我现在仅从最常见的重子——质子和中子及其相关的相互作用来介绍强子的夸克模型。
每个重子由三个夸克组成，每个介子由两个夸克组成，组成质子和中子的夸克为上夸克（u）和下夸克（d）组成。夸克是服从泡利不相容原理的费米子，即两个夸克不能同处同一量子态，因此我们首先了解构成这二种夸克量子态的“量子数”：
上夸克：重子数：1/3，电荷：＋2/3e，自旋：±1/2，味：u，色荷：红、绿或蓝；
下夸克：重子数：1/3，电荷：－1/3e，自旋：±1/2，味：d，色荷：红、绿或蓝；
质子由二个上夸克和一个下夸克组成（uud），中子由一个上夸克和二个下夸克组成（udd）。把上式中的量子数套进来，我们就“计算”出了我们业已认识到的这二个核子的性质——
质子：重子数1，电荷1e，自旋±1/2（二个同味夸克自旋量互为反号）；
中子：重子数1，电荷0e，自旋±1/2（理由同上）。
图21.5 质子的夸克模型
上夸克和下夸克构成第一代夸克，夸克总共三代共六种，一种一个味共六种味（详见后节），但色总共就红绿蓝三种，每个夸克都有其中的一种色。“味”和“色荷”可是原先核子模型里没有的哟。正是夸克模型新定义的这两个量子数，帮助我们认识到核子内弱力和强力的作用机制。
所谓弱相互作用，实际上是夸克的一种“变味”机制。传递弱力的玻色子是带正电或负电的W玻色子（详见后节），弱作用下的β衰变，就是夸克吸收或释放一个W玻色子，从而变味为另一种夸克——由上夸克变为下夸克或由下夸克变为上夸克。例如在中子变质子的β衰变中，中子（udd）内的一下夸克d在释放一个虚W－玻色子后，随即衰变成一上夸克u，于是中子就变成了质子（uud）。随后W－玻色子衰变成一电子及一反中微子（图21.6）。
最早的夸克模型是没有“色荷”这个量子数的，但用夸克来组建某些重子时，会遇到两个夸克量子数完全相同的尴尬，于是科学家想到给每个夸克染上“色”。正如“味”并不代表夸克真的有什么味道（夸克不可能起于作用人的味觉细胞），夸克也不真的有什么颜色，因为它们的波长远短于任何可见光的波长。这只是一个为区分而贴的标签，这个标签是“水”、“火”和“土”或“梅花”、“黑桃”和“红心”也无妨。但这信手拈来的“色荷”概念用起来却是得心应手，功能神奇——光学中的三原色原理恰恰暗合了微观粒子的结构原则。强子中，重子由三个分别为红绿蓝的夸克组成，三色叠加正好色中性——白色，介子由一个夸克和一个反夸克组成，分别带一色的正反色荷，叠加也正好色中性，所以所有强子总色荷为0（图21.7）。五体投地N次方地佩服科学大师们的超凡想像力！
图21.7 无论何种强子，总色荷均等于0。
意义远不止于此。色荷恐怕是夸克最重要的一种量子数，由此产生了一门阐明强相互作用力的理论——“量子色动力学”（QCD）。我们已经见过的描述电磁相互作用的量子电动力学（QED）是电子（费米子）交换光子（玻色子）的行为，涉及到的“荷”是电荷；在QCD中，涉及到的荷即为“色荷”，传递强力的玻色子（介子）叫“胶子”，胶子由一个夸克和一个反夸克组成，分别带一个色荷和一个反色荷。把三个夸克束缚在一起的强相互作用不过是夸克交换胶子的动力过程，如图21.5中的波纹线所示。胶子通过发射与吸收虚粒子，不断在夸克间进行交换。胶子在夸克间交换时色荷就会改变；例如一红夸克在发射出一红－反绿胶子后就会变成绿夸克，相应的一绿夸克在吸收了一红－反绿胶子后就会变成红夸克。核子内的夸克就是在不断地交换胶子和改变颜色的的动态过程中紧紧地吸引在一起。而之前物理学说的把核子结合在一起的强相互作用，不过是核子内色动力的“剩余”。这种变色过程无论多么瞬息万变，色荷始终守恒为0，即永远红绿蓝各一，我们始终只能看到白色的核子和白色的胶子。
色守恒原理揭示出夸克的一个重要物理属性——“夸克禁闭”。夸克是被判处了无期徒刑的的囚徒，理论上我们永远观察不到独立存在的“自由夸克”，夸克永远都要组团成白色才能走出禁区而与探测器发生作用。为解释夸克禁闭的机制，1970年代普林斯顿大学的格罗斯（David Gross）等物理学家提出了“渐近自由”理论：与引力和电磁力相反，强力与距离是成反比的。当两个夸克距离很近时，胶子的色场强度是如此之弱，以至于夸克可视作是自由粒子；可是当距离增加时，色动束缚力会越来越强，就像橡皮筋一样拉得越长力量就越大，以至于栓在橡皮筋上的夸克永远也不可能分离。2004年，格罗斯等三位美国物理学家为这项发明分享了当年的诺贝尔物理学奖，总奖金额约为130万美元（这似乎又验证了我的“三套房理论”）
这似乎又成了黑洞一样的悖论——既然夸克无法独立存在，你又怎样观测验证夸克理论呢？正如黑洞都可能想出观测方法一样，当我们观测到只能用夸克理论才解释得通的实验现象时，就等价于观测到了夸克本身。话说束缚夸克的“橡皮筋”再强，它也会有被扯断的时候，可是当这种情况发生时，蕴藏在橡皮筋中的力是如此之大，以至于足够产生夸克—反夸克对，这些新产生出的夸克与欲争取自由的夸克又束缚在一起组成强子（重子或介子），从而把分离的夸克“隐藏”了起来。图21.8就是从正负电子对撞机观测到的强子喷柱，这种现象只能用夸克渐近自由模型来解释。
图21.8 正负电子对撞（如图右），二者湮灭产生的巨大能量转化为两个夸克和两个反夸克，由于夸克的“隐藏”机制，变成强子柱（见图左）让我们观测到。
我们回头关照一下夸克模型的二位始作俑者。茨威格有一百种理由说当初他的模型比盖尔曼成熟，但人们更多的把夸克理论与盖尔曼联系在一起。1969年，盖尔曼独得诺贝尔物理学奖，茨威格名不见经传。费曼深感不平，1977年，他一生中唯一一次行使他诺贝尔奖得主提名权，提名茨威格，但并没有得到瑞典诺委会的响应，茨威格至今仍与诺奖无缘。从两件学术外的事看，盖尔曼还是更老道。盖尔曼是个起名专家，人们甚至怀疑他的姓“盖尔曼”（Gell-Mann）都是他自己起的，因为他家族的这个姓在全世界是独一无二的。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“向麦克王三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。这是本很难读懂的小说，盖尔曼兴趣广泛，是个文学爱好者。夸克这个即形像又有点陌生感的词，显然比朴克牌的“爱司”更有审美价值，所以很快就被广为接受。最初发表论文时，盖尔曼考虑到夸克理论的前卫性，编辑那一关一定很难过，因此投给了一家二流杂志。而茨威格偏不信这个邪，投给了一流的《物理学评论》，这就等于羊入虎口，之后只能持久地面对几任审稿人前赴后继的问题轰炸,论文直至16年后才被一本回顾夸克理论历史的文集收入发表。当然盖尔曼也不是等闲之辈，属于天才中的天才那一类大师。哈佛曾以优厚的条件聘他，有人开玩笑说：哈佛开出了所有的条件，就差没把学院名改为“盖尔曼学院”，但仍被他拒绝了。他的办公室就跟费曼的同一条走廊，学术内学术外两人没少明争暗斗。费曼没心没肺争完就忘，盖尔曼则事后耿耿于怀，因此费曼永远快乐，盖尔曼永远不快乐。
No comments:
Post a Comment