程民治 朱愛國

（巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

自從1897年J·J·湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以來，人類就開始了科學(xué)地探索粒子世界的輝煌而偉大的征程，可謂是曲曲凱歌，振奮人心。這一方面體現(xiàn)在物理學(xué)家前仆后繼、披荊斬棘、嘔心瀝血地進(jìn)行刻苦攻關(guān)，從而不斷地揭開了微觀客體一層又一層神秘的面紗，即由分子、原子，到原子核和強(qiáng)子，直至夸克和輕子；另一方面，如今人們又仿佛聽到了更深物質(zhì)層次隱隱約約的悠揚(yáng)樂章，若有若無。真可謂是“庭院深深深幾許，簾幕無窮數(shù)！”

我們在為粒子物理學(xué)這些洋洋大觀、可歌可泣的成果而歡呼雀躍之時，是否意識到大師們成功的秘訣之一，就是他們在極微世界探極微的思想觀念方面，同樣也噴發(fā)出了智慧的火花。據(jù)此，本文擬就這個問題，作一粗淺的探討。

1 分立性觀念

眾所周知，經(jīng)典物理規(guī)律的顯著特征是物理量的連續(xù)性。如：運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)的速度-時間圖線，一定質(zhì)量的理想氣體的等溫線，以及變化的電場和變化的磁場所擁有的能量隨時間因子的變更等等，都是連續(xù)的。

19世紀(jì)中葉，隨著德國冶金工業(yè)的振興，高溫測量技術(shù)的崛起，研究黑體輻射能量分布問題被擺到了首要的地位。被尊稱為“帝國的科學(xué)首相”普朗克[1]聞風(fēng)而動，于1896年開始了對熱輻射的經(jīng)典性研究。他以敏銳的洞察力，對維恩和瑞利-金斯分別提出的“結(jié)論”互為矛盾的輻射定律，進(jìn)行了推本溯源，終于找到了這兩個經(jīng)典公式的癥結(jié)所在。即為什么會造成前者在高頻部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符、低頻部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離，而后者則在低頻部分與實(shí)驗(yàn)值吻合、高頻部分與實(shí)驗(yàn)值相差很大，乃至在短波區(qū)出現(xiàn)了 “紫外災(zāi)難”？問題就出自于在新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)面前經(jīng)典物理學(xué)陷入了“嚴(yán)重的危機(jī)”！為了解決這一矛盾，1900年，普朗克用內(nèi)插法導(dǎo)出了一個在高頻趨近維恩公式而在低頻與瑞利公式相符的普遍公式。接著他又大膽地提出了一個違背經(jīng)典物理學(xué)的假說。其內(nèi)容為：物體在發(fā)射和吸收輻射時，能量是不連續(xù)變化的，這種分立變化不是隨意的，它有最小的能量單元，稱“能量子”。物體發(fā)射和吸收的能量只能是“能量子”數(shù)值的整數(shù)倍，這種所取量值是分立的現(xiàn)象稱之為能量的量子化。就這樣，普朗克以他提出的“安寧的擾亂者”——ε＝hv，一舉打破了“自然界無飛躍”的古老的格言，明確地揭示了組成輻射黑體的諧振子所具有的能量是間隔的，并由此迎來了一代壯觀的量子論的問世。

量子假說的誕生，使那些力圖解釋原子光譜的物理學(xué)家，很快擺脫了困境，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。如，N·玻爾在創(chuàng)立他的氫原子理論時，就引入了原子的能量和角動量的量子化條件，終于第一次將光譜的事實(shí)納入到一個理論體系中，并在原子核式模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一個動態(tài)的原子結(jié)構(gòu)模型。與此同時，這個理論還指出了經(jīng)典物理的規(guī)律不能完全適用于原子內(nèi)部，提出了微觀體系所特有的量子規(guī)律。該理論在成功地說明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律的同時，還大大擴(kuò)展了量子論的影響，加速了量子論的發(fā)展。例如，愛因斯坦就走得比N·玻爾還要遠(yuǎn)，他從普朗克的發(fā)現(xiàn)中，所看到的不僅是要修改某些定律，更主要的是要重建新的理論基礎(chǔ)。他在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性的觀點(diǎn)》一文中，提出了光量子假說，將普朗克的能量子的概念從輻射發(fā)射和吸收過程推廣到空間傳播的過程，認(rèn)為輻射本身就是由不連續(xù)的、不可分割的能量子組成的。他從熱力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，把黑體輻射和氣體進(jìn)行類比，發(fā)現(xiàn)在一定的條件下，可以把輻射看作是由粒子組成的，并將這種輻射的粒子稱作“光量子”，作為光量子理論的推論。由此，愛因斯坦成功地解釋了古典物理學(xué)理論所無法解釋的光電效應(yīng)。隨著這一成果分別于1915年和1922年先后被密立根和康普頓的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光量子論就被人們所普遍接受，即充分認(rèn)可了光的粒子性。應(yīng)該說，光子是繼電子發(fā)現(xiàn)后，人類在自然界中所找到的第二個基本粒子。

當(dāng)然，我們在這里所列舉的關(guān)于充斥著分立性觀念的能量子假說，對現(xiàn)代微觀物理學(xué)發(fā)軔的重大影響，僅僅是滄海一粟。與此同時，還需要特別強(qiáng)調(diào)的是，物理量的分立性，即量子化是一切微觀客體固有的屬性。

2 波粒二象性觀念

雖然普朗克提出的能量子概念正確地導(dǎo)出了黑體輻射定律，愛因斯坦的光電效應(yīng)觀點(diǎn)也被有關(guān)實(shí)驗(yàn)所佐證。但是，一個無法回避的問題是：用光的波動理論完全無法解釋“光電效應(yīng)”，而在解釋光的衍射和干涉現(xiàn)象時，卻仍然需要運(yùn)用波動理論，可是人們一時想不出任何辦法能將波動理論和光的微粒性統(tǒng)一起來，這在當(dāng)時曾引起過一些大師級人物的憂慮。如在1911年第一次索爾維會議上，愛因斯坦就曾指出：“我堅(jiān)持（光量子）概念具有暫時性質(zhì)，它同已被證實(shí)的波動說是無法調(diào)和的?！盵2]

面臨著物理學(xué)家所遇到的這種種困難和啞謎，德布羅意在仔細(xì)分析了光學(xué)發(fā)展史上有關(guān)微粒說和波動說之爭后，于1924年他把光具有的波粒二象性推廣到一般實(shí)物粒子（如電子）上，從而提出了一切實(shí)物粒子都具有波動性的新觀念。即在德布羅意看來，在所有情況下，都必須假設(shè)微粒伴隨波而存在。微粒和波之所以不能是獨(dú)立的，就是因?yàn)榘凑誑·玻爾的說法，它們構(gòu)成兩個相互補(bǔ)充的現(xiàn)實(shí)力量。后來人們將這種與粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波或物質(zhì)波。微觀粒子所具有的波粒二象性，可由德布羅意關(guān)系式λ＝h/p被進(jìn)一步揭示。這個關(guān)系式將長期以來被認(rèn)為性質(zhì)完全不同的兩個物理概念——動量與波長，用普朗克常數(shù)有機(jī)地聯(lián)系起來了，從而將粒子性與波動性融為同一個客體之中。

德布羅意假設(shè)提出以后，薛定諤懷著極大的激情對它進(jìn)行了精心的研究，并于1926年發(fā)展了德布羅意的思想，創(chuàng)立了波動力學(xué)，提出了舉世聞名的薛定諤方程，討論了與時間無關(guān)和含時的微擾理論，用之解決氫原子問題得到了與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果。差不多同一時期，海森堡、玻恩、約當(dāng)?shù)热藙t以微觀客體的波動性為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用代數(shù)方法，借助于對應(yīng)原理的思想構(gòu)建了矩陣力學(xué)。難能可貴的是，運(yùn)用該著作中所引入的正則變換，以及所建立的定態(tài)微擾與含時微擾，可以卓有成效地討論微觀粒子的角動量、譜線強(qiáng)度、輻射躍遷的選擇定則等有關(guān)方面的問題。不久，海森堡又提出了著名的“測不準(zhǔn)原理”，進(jìn)一步揭示了微觀客體的波粒二象性。

波動力學(xué)與矩陣力學(xué)都是以微觀客體的波粒二象性為基礎(chǔ)，通過與經(jīng)典物理學(xué)的對比，運(yùn)用不同的數(shù)學(xué)工具而建立起來的。1926年初玻恩和維納又引入算符，于是建立起了算符與矩陣之間的對應(yīng)關(guān)系；爾后，狄拉克運(yùn)用q數(shù)普遍變換理論，賦予了量子力學(xué)兩種表述形式的等價性與自洽性。

按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，具有波動性的微觀客體，由于動量與位置無法同時準(zhǔn)確確定，軌道概念就失去了意義。從而，對其運(yùn)動狀態(tài)的描述截然區(qū)別于經(jīng)典方式，是用一個狀態(tài)波函數(shù)來描述，尤其是在玻恩提出了著名的波函數(shù)統(tǒng)計(jì)詮釋以后，微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)不再受經(jīng)典規(guī)律的支配，不再遵從“決定論”或嚴(yán)格的“因果律”，而是服從一種統(tǒng)計(jì)性的規(guī)律。但是愛因斯坦并不接受這種觀點(diǎn)，并由此引起了物理學(xué)史上最富有哲學(xué)意義的科學(xué)爭論，甚至至今這場科學(xué)之爭的硝煙還沒有止息。

顯然，量子力學(xué)的誕生，不僅為粒子物理提供了主要的計(jì)算手段，直接推動了粒子物理學(xué)的發(fā)展，而且也使波粒二象性的觀念更加深入人心。

3 對稱性觀念

對稱性觀念形成于上古時代。它對科學(xué)的重大影響，可以追溯到經(jīng)典物理學(xué)時期。如1873年，麥克斯韋曾借用這個傳統(tǒng)觀念，圓滿地建立了被勞厄稱之為“美學(xué)上真正完美的對稱形式”[3]的電磁場方程組，并預(yù)言了電磁波的存在。尤其是到了20世紀(jì)，物理學(xué)家們徹底糾正了昔日那種以物質(zhì)為中心的思想，樹立了用自然界的對稱性來破解宇宙奧秘的一種新的觀念。

“對稱性的精確數(shù)學(xué)定義涉及到不變性的概念”。[4]也就是說，所謂對稱性，實(shí)質(zhì)上是在某種變換下的不變性。它可分為形象化的時空對稱性、內(nèi)在的抽象對稱性，以及時空與內(nèi)部對稱性的完美結(jié)合所形成的超對稱性三大類型。它們分別在微觀世界探極微中各顯神通，屢建戰(zhàn)功，現(xiàn)分述如下：

3.1 時空對稱性的無窮魅力

時空對稱性包括空間對稱性和時間對稱性。如：人與鏡像的“左相當(dāng)于右”的關(guān)系就是一種空間對稱性；日出日落、花開花謝則是一種時間對稱性。在物理學(xué)史上，有幾種時空對稱性早就被人們公認(rèn)為是最具影響力的。如：導(dǎo)致能量守恒的時間平移不變性，導(dǎo)致動量守恒的空間平移不變性，導(dǎo)致角動量守恒的空間轉(zhuǎn)動不變性，保證了物理規(guī)律在不同慣性系中都協(xié)調(diào)一致的洛倫茲不變性。這幾種對稱性，不光是在宏觀和微觀世界都廣泛存在，而且由它們所產(chǎn)生的守恒定律在物理學(xué)的各個分支領(lǐng)域均普遍地成立。

時間平移、空間平移和空間轉(zhuǎn)動這三種變換，都是由各自與其對應(yīng)的時空坐標(biāo)（時間間隔或線位移與角位移）無間斷地發(fā)生變化而引起的，因此又稱它們?yōu)檫B續(xù)變換。顯然，與連續(xù)變換相對立的變換則是分立變換。時空的分立變換也有三種，即空間反射變換（簡稱P變換）、時間反演變換（簡稱T變換）和正反粒子共軛變換（簡稱C變換，也叫做電荷共軛變換）。物理學(xué)上將在P、T、C變換下的不變性，分別定義為空間反射對稱性、時間反演對稱性和正反粒子共軛對稱性。鑒于篇幅所限，在這三種時空分立變換中。我們僅以P變換為例來加以具體的討論。

所謂P變換，就是將坐標(biāo)軸的方向反過來，一下子使空間完全反向的變換。如人的鏡像是一種反射，是人的一種P變換，這種變換是左右反演的形式。顯然，人與鏡像具有左右對稱性，或者說具有左右變換下的不變性。表征空間反射變換性質(zhì)的特征量（術(shù)語稱量子數(shù)）叫做空間宇稱或簡稱P宇稱。宇稱只有正宇稱或負(fù)宇稱，而無大小之分。

諾特定理指出：“如果運(yùn)動規(guī)律在某一變換下具有不變性，必然相應(yīng)存在一個守恒定律。”[5]由于力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律都具有空間反射不變性，故而，凡在這兩種規(guī)律的支配下所發(fā)生的一切物理現(xiàn)象，宇稱P都是守恒的。但是，人們曾片面地將P宇稱守恒加以推廣，甚至將其視為神圣的戒條，即普遍認(rèn)為所有的自然規(guī)律都具有空間反射對稱性。

可是，到了1956年6月，楊振寧和李政道發(fā)表了一篇?dú)v史性的論文，對于宇稱守恒的普遍性提出了質(zhì)疑，并指出了解決有關(guān)問題的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想。這猶如晴天霹靂，轟動了整個物理學(xué)界。原來當(dāng)時的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在強(qiáng)子中有兩種被稱之為τ和θ的粒子，它們的質(zhì)量和壽命完全一樣，按理說應(yīng)為同一種粒子，但前者衰變?yōu)?個π介子，后者衰變成2個π介子。根據(jù)量子理論，τ和θ的宇稱相反，即一為負(fù)一為正，似乎又像是兩種不同的粒子，這就是粒子物理學(xué)史上著名的“θ-τ”之謎。

在李政道和楊振寧看來，即便是在強(qiáng)作用和電磁作用過程中宇稱的守恒性已經(jīng)有了確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但是，支配τ和θ衰變的是一種弱作用，而在弱作用的過程中，宇稱守恒并沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的確認(rèn)。因此，他倆認(rèn)定τ和θ實(shí)際上是同一種粒子即K介子，并指出在弱力過程中宇稱不守恒。這個預(yù)言率先被吳健雄等人所做的關(guān)于極化60Co原子核β衰變的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，不久萊德曼、加爾文各自率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)也在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中取得了同樣的結(jié)果。

此外在時空對稱性中還有兩種聯(lián)合變換。一種是將P變換和C變換合二為一，所形成的電荷共軛及空間反射聯(lián)合變換，簡稱CP變換。中性K介子的衰變等有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明：絕大多數(shù)弱力過程的物理規(guī)律在CP變換下都具有不變性，只有個別弱衰變過程的CP對稱性有輕度的破壞，通常稱CP破壞。另一種是將CP變換再與T變換組合起來，由此形成的分立變換謂之為CPT變換。就是從這個相當(dāng)復(fù)雜的變換出發(fā)，依據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)的基本原理所導(dǎo)出的CPT不變性，的確是一個非常普遍而又極其完美的對稱性，因?yàn)樗嬖V了我們有關(guān)粒子的許多信息。如：粒子與反粒子的質(zhì)量和壽命應(yīng)該完全相等，而它們的電磁性質(zhì)（如電荷及內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)）則相反，并且這些關(guān)系均已從相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中獲得了十分有力的證明。例如，實(shí)驗(yàn)中測得中性K介子K0與其反粒子的質(zhì)量在精度7×10-15之內(nèi)是一樣的，μ子與其反粒子μ的壽命在精度0.5%之內(nèi)是相等的。

3.2 內(nèi)部對稱性的巨大功能

內(nèi)部對稱性的類型頗多，同位旋對稱性就是其中的一種。它與現(xiàn)實(shí)空間毫無關(guān)系，而是出現(xiàn)在一個假想的虛擬空間——同位旋空間，指的是這個抽象的空間具有轉(zhuǎn)動不變性。例如，根據(jù)質(zhì)子和中子的某些固有的屬性，以及核力與電荷無關(guān)，人們就將這兩種粒子看作是同一種粒子（核子）在某個內(nèi)部空間——假想的三維“同位旋空間”所處的兩種狀態(tài)。在此空間作旋轉(zhuǎn)變換時，只是使核子的這兩種狀態(tài)互相變換，而它們感受到的核力不變。核子在這個假想空間轉(zhuǎn)動的“角動量”叫做同位旋，核力的轉(zhuǎn)動不變性導(dǎo)致了核子的同位旋守恒。而質(zhì)子和中子的區(qū)別，僅在于它們的同位旋的取向不一樣。同位旋的概念后被推廣到核子以外的粒子中并有所引仲，同位旋守恒在所有受強(qiáng)力支配的反應(yīng)過程中均成立。足見，借助于同位旋對稱性，能使我們從令人眼花繚亂的強(qiáng)子世界中找出秩序來，它不僅向我們展示了關(guān)于基本定律的情況，而且還告知了我們許多與實(shí)際物理狀態(tài)有關(guān)的東西。

對于其他反映微觀世界特性的各類內(nèi)部對稱性，物理學(xué)家將它們統(tǒng)稱為規(guī)范不變性，它們的不同表現(xiàn)形式對應(yīng)著規(guī)范變換的不同類型。群論在粒子物理學(xué)中的成功應(yīng)用，不僅使有關(guān)對稱性的研究變得非常方便而又十分嚴(yán)謹(jǐn)，而且無論是哪一類變換——分立的或者是連續(xù)的，在數(shù)學(xué)上都能找到一個變換群。在考慮到某種對稱性的時候，只要選擇一個合適的群，并將粒子放到群空間的特定位置上，然后按照群的運(yùn)算法則作變換。倘若變換后的結(jié)果不改變粒子原有的運(yùn)動規(guī)律，這就表明這個規(guī)律在該群下是不變的，即具有相應(yīng)的對稱性。例如，一對帶電粒子在兩個不同環(huán)境下的不變性，相當(dāng)于一個在阿貝爾規(guī)范群U（1）變換下的不變性。因此，在上文中所述的表示電磁作用的麥克斯韋方程組的對稱性，可以說成U（1）群元素之間的相互對易性。又如，同位旋空間的轉(zhuǎn)動不變性，相當(dāng)于在二維幺模幺正群SU（2）變換下的不變性，據(jù)此同位旋對稱性可以稱作SU（2）同位旋對稱性。

內(nèi)部空間的規(guī)范變換和規(guī)范對稱性，可分為兩類：一類是變換時不涉及時空點(diǎn)，稱作整體規(guī)范變換，與之相應(yīng)的對稱性叫做整體規(guī)范對稱性；另一類是變換時依賴時空點(diǎn)，稱作定域規(guī)范變換，與它對應(yīng)的對稱性謂之定域規(guī)范對稱性。在將整體規(guī)范對稱性擴(kuò)充為定域規(guī)范對稱性時，必須引進(jìn)規(guī)范粒子，相應(yīng)的場叫規(guī)范場。如：光子是人們最早認(rèn)識的規(guī)范粒子，相應(yīng)的電磁場是U（1）規(guī)范場，它是通過將自由電子的整體U（1）規(guī)范對稱性擴(kuò)充為定域時而被引進(jìn)的。

自從群論方法被行之有效地引入到粒子物理學(xué)領(lǐng)域以來，它便逐步顯露出其不可估量的重大價值。如：20世紀(jì)60年代，格拉肖、溫伯格和薩拉姆，將同位旋空間的定域SU（2）對稱性和超荷空間的定域U（1）對稱性結(jié)合起來，即將U（1）群和 SU（2）群的直積群 U（1）×SU（2）作為統(tǒng)一場的規(guī)范變換群，成功地創(chuàng)建了統(tǒng)一描述弱力和電磁力的規(guī)范理論。 很顯然，U（1）×SU（2）群的對稱性就分別比 U（1）和 SU（2）群高，故弱電統(tǒng)一理論就比電磁理論和弱作用理論的基礎(chǔ)更統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)更完美，所反映的量子場運(yùn)動狀態(tài)的面亦就更廣。

又如：1961年至1962年間，蓋爾曼和尼曼各自將 SU（2）對稱性擴(kuò)廣到高一維的 SU（3）幺正對稱性。根據(jù)這種幺正對稱性理論，他倆不僅將當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的上百種強(qiáng)子進(jìn)行了系統(tǒng)的分類，相繼得到了整齊劃一的重子八重態(tài)和介子八重態(tài)的對稱圖案，而且還從他們排列的共振子十重態(tài)圖案的缺位中，預(yù)言了Ω-介子的存在。1963年巴恩斯通過分析10萬多張氣泡室的照片，經(jīng)過周密的測量和計(jì)算，終于發(fā)現(xiàn)了Ω-介子，簡直與蓋爾曼等人的預(yù)言絲絲入扣。1964年，蓋爾曼和茲韋格又利用SU（3）幺正對稱性構(gòu)成了夸克模型。在夸克模型的發(fā)展中，人們又發(fā)現(xiàn)了另一種SU（3）對稱性即SU（3）顏色對稱性。1973年，波利策和格羅斯等人就采用了SU（3）顏色對稱性，成功地創(chuàng)立了強(qiáng)子理論——量子色動力學(xué)。這個理論與弱電統(tǒng)一模型相結(jié)合，被公認(rèn)為描述強(qiáng)力、弱力和電磁力的標(biāo)準(zhǔn)學(xué)說。

3.3 超對稱性的誘人之處

所謂超對稱性，是將時空對稱性和內(nèi)部對稱性結(jié)合在一起的廣義對稱性，是一種將不同自旋的粒子聯(lián)系起來的對稱性，即讓費(fèi)米子（自旋為半整數(shù)的粒子）和玻色子（自旋為整數(shù)的粒子）互相變換的對稱性。1974年，經(jīng)韋斯和朱彌諾將這個原先定義在二維時空中的對稱性，推廣到四維時空的物理世界之后，人們才試圖將它用來描述微觀粒子的行為。但是能否如愿以償，只能是在日后的實(shí)驗(yàn)中，如果真正找到了超對稱理論所預(yù)言的超對稱粒子后，方可定奪。

但即便如此，超對稱理論卻存在著幾個特別引人注目的奇妙之處：一是在超對稱理論中，隨著規(guī)范場概念的推廣，定域規(guī)范變換也要作相應(yīng)的擴(kuò)充，此時引進(jìn)的是一種新型的規(guī)范超場。如此形成的定域超對稱理論必然包含了引力場，它將自動地演化成了超引力理論；二是超對稱SU（5）模型能將大統(tǒng)一能量標(biāo)度推移到1016GeV，預(yù)言了質(zhì)子的壽命1035為年，這就與目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于1033年不矛盾；三是關(guān)于力的強(qiáng)度問題，則更加吸引人的眼球。因?yàn)楦鶕?jù)1990年歐洲核子研究中心對此的測量結(jié)果表明，基本上與超對稱SU（5）模型估算的數(shù)值相符；四是超對稱理論如今被認(rèn)為是描述暗物質(zhì)粒子參與弱作用的主流理論，紐約時報據(jù)此聲稱：“沒有超對稱，世界就會變成一片死寂?！盵6]

基于上文所述，我們不難發(fā)現(xiàn)，由于現(xiàn)代物理學(xué)家將對稱性用于研究物質(zhì)的狀態(tài)和運(yùn)動規(guī)律在對稱變換下的性質(zhì)，這就決定了變換不變性的實(shí)質(zhì)就在于：“抓住不變量與變換式之間的內(nèi)在矛盾，并通過不斷擴(kuò)大變換不變性來解決二者的矛盾，從而達(dá)到改革舊理論，發(fā)展新理論的目的?！盵7]鑒于對稱性觀念及其科學(xué)方法論，在粒子物理學(xué)的百花園中結(jié)出了累累碩果，其中包括對稱性破缺所創(chuàng)造的多姿多彩的現(xiàn)象世界，從而贏得了科學(xué)大師們的青睞和高度的贊賞。如：海森堡將對稱性的思想與方法形象地比喻成“正如那些由宗教產(chǎn)生的花紋裝飾表示宗教的精神一樣”；狄拉克贊譽(yù)它為 “理論物理學(xué)新方法的精華”[7]；而楊振寧則發(fā)自肺腑地表示了他對對稱定律的力量的欽佩。

4 “核民主”觀念

隨著人類的觸角，不斷地向著更深、更復(fù)雜的微觀物質(zhì)層次的伸展，從19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代初，電子、質(zhì)子、中子和光子就相繼被發(fā)現(xiàn)，正電子與其他反粒子、中微子、π介子、μ子等也紛紛“歸案”，尤其是一大批奇異粒子和共振子的聯(lián)翩而至，便由此宣告了一個美輪美奐的粒子王國的誕生。

當(dāng)人們終于完成了粒子層次的基本發(fā)現(xiàn)之后，不禁會問：構(gòu)成物質(zhì)世界的最小基元是什么？如何無休止地進(jìn)行解剖，便可找到構(gòu)成宇宙大夏的最小磚石？對此，或許我國古代名家學(xué)派代表、戰(zhàn)國時期的哲學(xué)家公孫龍“關(guān)于物質(zhì)分割”的一句名言，足以代表20世紀(jì)中期以前人們的一個共同看法。他宣稱：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭?！盵8]這種觀念，實(shí)質(zhì)上就是古人對物質(zhì)無限可分的樸素的天才的猜測。然而，它卻很容易使人們得到一個合乎邏輯的推論：物質(zhì)由此一次又一次地被分而割之，那么，必然會使其越來越小，這不僅會導(dǎo)致構(gòu)成物質(zhì)的組元總是小于整體，而且每一個組元必定被包含在整體之中。

如果按照這種傳統(tǒng)的觀念進(jìn)行分割，毋庸置疑，普通物質(zhì)可以分割成分子，分子可以分割成原子，原子能分解為原子核和電子。倘若再深入一個層次到了原子核，我們原先持有的分割觀念就會受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。因?yàn)橐粍t有些原子核解剖后所得的組元反而變大，如從氦核中分離出來的兩個質(zhì)子，它們已從束縛態(tài)轉(zhuǎn)化成自由態(tài)，結(jié)果兩個質(zhì)子的體積甚至比原來的氦原子還要大。二則既然原子核是由質(zhì)子和中子組成，它內(nèi)部根本就不存在電子或正電子。可是，在天然放射物和人工放射物的原子核發(fā)生β衰變時，為什么分別有電子和正電子跑出來呢？在稍后人們所發(fā)現(xiàn)正反粒子成對產(chǎn)生的現(xiàn)象中，問題就變得更加神秘莫測了：那一對對由純能量“無中生有”地產(chǎn)生出來的正反粒子，是由什么東西分割而成的呢？它們又是哪種物質(zhì)的組成部分呢？上個世紀(jì)50年代之后，人們在加速器上用人工的方法產(chǎn)生出上百種形形色色的粒子，它們中的絕大多數(shù)可以由一種或兩種粒子在碰撞過程中產(chǎn)生出來的。那么人們不禁還會問：“包括質(zhì)子、中子和π介子等在內(nèi)的諸多粒子，它們之中誰是母體，誰又是由母體分割而成的組分即更基本的粒子呢？”

為了擺脫這種物質(zhì)無限可分的經(jīng)驗(yàn)主義僵化的老觀念，在粒子物理學(xué)中所遇到的困境，1960年，曼德爾斯坦和邱等人，十分幽默地提出了“核民主”的觀念。即在他們看來，基本粒子是“你中有我，我中有你”的復(fù)合體，而不存在更基本的粒子。“核民主”觀念還認(rèn)為，所有的強(qiáng)子都可以視為其他任一組強(qiáng)子的復(fù)合粒子，稱哪一組是基本粒子均可以。

足見，在“核民主”觀念駕馭下的物質(zhì)分割的概念，就與傳統(tǒng)的看法顯得完全不同：物質(zhì)不再總是越分越小或能分割到最小，而可能出現(xiàn)一種新的情形，即可以將物質(zhì)一次又一次地進(jìn)行分割，但分割后所得到的卻是與分割前處于同一個層次上的粒子，而決非是下一層次中更小的粒子。此外，在分割強(qiáng)子時，還會出現(xiàn)一個奇妙的現(xiàn)象，即所得到的結(jié)果隨分割時所輸入的能量的高低而異。

例如，兩個質(zhì)子通過高速撞擊后，被分割成三組不同的碎片，可用下式表示：，或或

顯而易見，這些碎片都是由參與碰撞的質(zhì)子的動能和質(zhì)量所產(chǎn)生的完整強(qiáng)子。并且這兩個質(zhì)子分裂為它的“組成部分”是不確定的，而是隨著相互作用過程中質(zhì)子碰撞能量的強(qiáng)弱而異。因?yàn)楦鶕?jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式，在這兩個質(zhì)子的互相撞擊中，能量的模式被互解并重新組合。這樣一來，關(guān)于母體及其組成部分的概念不再適用于亞核粒子領(lǐng)域，因?yàn)樯鲜街斜硎镜?組不同的強(qiáng)子碎片，連同彼此撞擊的一對質(zhì)子，一共為4組，均可看成是其他任一組強(qiáng)子的復(fù)合粒子，不論說哪一組是基本粒子都是正確的。

因此，“核民主”觀念打破了傳統(tǒng)的物質(zhì)可分性與不可分性的觀點(diǎn)，為人類認(rèn)識物質(zhì)的“可分割性”提供了新的思維方式，大大改變了人們對物質(zhì)世界的無限可分性原理的理解。即我們既不能將基本粒子視為自然存在的不變實(shí)體，也不能總以為復(fù)合物質(zhì)的組分粒子必然能由這種復(fù)合物質(zhì)分割而來。關(guān)于亞核粒子的“結(jié)構(gòu)”只能在動態(tài)的意義上，用過程和相互作用的術(shù)語來描述。誠如恩格斯所說：“世界不是既成事物的集合體，而是過程的集合體。”[9]并且在他看來，在一定的條件下，物質(zhì)的可分性是有一定界限的。

正是基于“核民主”觀念，自從強(qiáng)子的夸克模型問世以來，粒子物理學(xué)家們很快明白，作為強(qiáng)子“組元”的夸克，自然有著自己獨(dú)特的存在方式，即分割強(qiáng)子后得不到夸克本身，而所能得到的仍然是由夸克復(fù)合而成的強(qiáng)子。對于長期以來一直被“囚禁在強(qiáng)子樊籠中的夸克”，雖然至今也無法直接一睹自由狀態(tài)夸克的芳容，但粒子物理學(xué)家們并沒有為此而驚慌失措，依然以平和而積極的心態(tài)，努力探索夸克禁閉之謎。由此可見，核民主觀念體現(xiàn)了在“物質(zhì)無限可分”這個馬克思主義哲學(xué)的基本觀點(diǎn)中，包含了極其豐富的內(nèi)容，即物質(zhì)的質(zhì)不同，存在的方式就各異，分割的方式就有區(qū)別；反過來，分割的方式相異，引起的質(zhì)變就有差別，分割后所產(chǎn)生的物質(zhì)形態(tài)和運(yùn)動方式就會不同。也就是說，物質(zhì)的量變和質(zhì)變是相互轉(zhuǎn)化的。

綜上所述，物質(zhì)探微——從電子到夸克；走向微觀世界——從J·J·湯姆遜到蓋爾曼?？梢哉f，其間每一項(xiàng)重大成果的取得，以及每一位為此而作出卓越貢獻(xiàn)的物理學(xué)家，無一例外地都與觀念的革故鼎新，有著千絲萬縷的必然聯(lián)系。楊振寧的一句精辟之言：“在20世紀(jì)，物理學(xué)產(chǎn)生了奧妙的觀念革命?！盵10]可謂是對此作了最貼切和最完美的詮釋。

[1]弗里德里希赫爾內(nèi)克.原子時代的先驅(qū)者——世界著名物理學(xué)家傳記[M].徐新民，等譯.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

[2]楊建鄴，李繼宏.走向微觀世界——從湯姆遜到蓋爾曼[Z].武漢：武漢出版社，2000.

[3]夏宗經(jīng).物理學(xué)的美學(xué)問題[J].物理通報，1982，（4）：15-18.

[4]（美）阿熱.可怕的對稱——現(xiàn)代物理學(xué)中美的探索[M].荀坤，等譯.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[5]孫小禮，樓格.人自然社會[Z].北京：北京大學(xué)出版社，1988.

[6]楊金民.暗物質(zhì)之謎[J].物理教學(xué)，2011，（8）：2-3.

[7]王宏金，程民治.物理科學(xué)臻美概論[Z].濟(jì)南：山東教育出版社，1996.

[8]莊子譯注——天下篇[Z].劉建國，顧寶田，注譯.長春：吉林文史出版社，1993.

[9]馬克思恩格斯選集（卷4）[M].中共中央馬克思恩格斯列寧斯大林著作編譯局譯.北京：人民出版社，1995.

[10]吳水清.紀(jì)念朱洪元先生逝世一周年[J].現(xiàn)代物理知識，1993，（5）：45-48.