文／本刊記者 史 詩

“20世紀(jì)見證了物理學(xué)無與倫比的進(jìn)步。如果說，前半葉由相對(duì)論和量子力學(xué)所主導(dǎo)，那么毋庸置疑，后半葉的明星就是粒子物理學(xué)?！笨破?qǐng)D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(bào)告”第二講上，中國科學(xué)院自然科學(xué)史所副研究員劉金巖作《探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)——層子模型構(gòu)建歷史》的主題報(bào)告。她基于中、日、俄及英文檔案等史料，以20世紀(jì)50-60年代粒子物理的國際和國內(nèi)發(fā)展為背景，介紹中國物理學(xué)家在上個(gè)世紀(jì)60年代中期探索強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，提出層子模型的過程以及層子模型的主要研究成果、后續(xù)發(fā)展、國際評(píng)價(jià)及影響。

粒子物理的誕生：“脫胎于”核物理

繼電子、中子和質(zhì)子等粒子發(fā)現(xiàn)后，物理學(xué)家又提出中微子和Pi介子假說。這一時(shí)期他們通常借助宇宙線或者低能加速器開展實(shí)驗(yàn)。1932年，物理學(xué)家利用宇宙線發(fā)現(xiàn)第一個(gè)反粒子。1939年，物理學(xué)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(xué)家在第二次世界大戰(zhàn)中研制原子彈和雷達(dá)發(fā)揮的重要作用，使得他們?cè)趹?zhàn)爭(zhēng)結(jié)束重返科學(xué)研究中獲得充裕經(jīng)費(fèi)。

自20世紀(jì)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(gè)加速器目前的能量已經(jīng)達(dá)到14個(gè)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(xiàn)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的。這些加速器的建造打開了人工制造新粒子大門?！眲⒔饚r坦言，到了20世紀(jì)60年代，隨著實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)一系列新粒子，物理學(xué)家對(duì)于這些新粒子很棘手，粒子物理當(dāng)時(shí)處于一個(gè)“進(jìn)退兩難”的處境。

劉金巖稱，隨著新粒子的大量發(fā)現(xiàn)，粒子物理學(xué)家迫切需要對(duì)上百種粒子進(jìn)行分類，找出它們之間內(nèi)在聯(lián)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(rèn)為物質(zhì)的基本組元是質(zhì)子、中子和Λ粒子。此后提出的“八重法”方案可以有效對(duì)基本粒子分類，此外還有1964年由蓋爾曼和茲威格分別獨(dú)立提出的夸克模型或艾斯模型，認(rèn)為基本粒子由攜帶分?jǐn)?shù)電荷的夸克或艾斯構(gòu)成。不過，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)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(gòu)建

物理學(xué)在中國的發(fā)展得益于一批留學(xué)歐美物理學(xué)家歸國后的推動(dòng)。20世紀(jì)20年代出國留學(xué)學(xué)物理的代表人物有吳有訓(xùn)、葉企孫、嚴(yán)濟(jì)慈、周培源和王守競(jìng)。他們分別在X射線散射、普朗克常數(shù)測(cè)定、光譜學(xué)、相對(duì)論、量子力學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)等物理學(xué)各分支有所建樹。劉金巖特別提到，這些人致力于推動(dòng)現(xiàn)代物理學(xué)在中國的發(fā)展，在中央大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)，北平研究院等大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)設(shè)置現(xiàn)代物理學(xué)課程并培養(yǎng)人才。中國粒子物理學(xué)理論研究起步較晚，主要依靠20世紀(jì)30—40年代留學(xué)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(dòng)。

1956年，國家制定“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”，其中原子核與基本粒子物理學(xué)研究是物理學(xué)科重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。同時(shí)，“自然科學(xué)中若干重要的基本理論問題”被列入規(guī)劃中的第56項(xiàng)問題。1957年，李政道和楊振寧獲得諾獎(jiǎng)，激勵(lì)一批年輕人選擇粒子物理專業(yè)。此外，參與蘇聯(lián)聯(lián)合原子核研究所的工作也為新中國培養(yǎng)了一批粒子物理人才。

1963年，毛澤東格外關(guān)注刊登在《自然辯證法研究通訊》雜志上一篇由俄文轉(zhuǎn)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(xué)研究中注意辯證唯物主義，且其堅(jiān)持的物質(zhì)無限可分思想與坂田在科學(xué)研究中堅(jiān)持的原則產(chǎn)生共鳴?！佰嗵锊坏幕玖Ｗ涌煞钟^點(diǎn)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(guān)心物理學(xué)中的哲學(xué)問題有關(guān)。還與當(dāng)時(shí)正在中國進(jìn)行的有關(guān)‘一分為二’和‘合二為一’的大討論有關(guān)”劉金巖介紹說。

這件事也影響了中國粒子物理學(xué)家的研究方向。此外，1966年即將在北京召開暑期物理討論會(huì)，中國物理學(xué)家要為這次會(huì)議做學(xué)術(shù)準(zhǔn)備。中國物理學(xué)家充分利用這些機(jī)會(huì)，來自中國科學(xué)院原子能研究所、數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)上，這些機(jī)構(gòu)的科研人員在20世紀(jì)50年代末、60年代初就保持了良好的交流合作機(jī)制。

自1965年9月起，北京基本粒子組經(jīng)過幾個(gè)月的工作，提出強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)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(huì)召開前，由原子能所的冼鼎昌向時(shí)任原子能所所長的錢三強(qiáng)建議的，這也符合毛澤東的物質(zhì)無限可分思想，即基本粒子有結(jié)構(gòu)，由層子組成，層子又是由更深一層的層子構(gòu)成?！?/p>

中國物理學(xué)家提出層子模型順應(yīng)了粒子物理學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，盡管未取得預(yù)期的國際影響，但為中國粒子物理后來在理論和實(shí)驗(yàn)上取得的重要成果奠定了人才基礎(chǔ)。