在二十世纪的后半叶,关于对称性的研究成为理论物理的主流方向之一。如果系统满足某一种对称性,那么一定对应着一种守恒的物理量。人们可以用数学中的群论知识研究物理系统不同状态之间的变换。
在欧美的物理学家看来,所有的基本粒子都是平权的。尽管人们最早发现了质子和中子,也不证明这两个粒子比起其他的重子更基本。显然,在这一点上,他们的观点与坂田昌一教授不同。1961年,美国物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)从群论的角度讨论了质子、中子以及其他六种超子之间的关系,发现它们之间满足SU(3)群描述的对称性,这八种重子共同构成SU(3)群的一种表示形式,盖尔曼称之为八正法,后来,人们更愿意把它称为重子的SU(3)群的八重态表示。盖尔曼进一步发现pi介子和K介子也可以表示成SU(3)群的八重态。借助于他的理论,他还预言了eta介子的存在。
在盖尔曼提出重子和介子的八重态表示的时候,以色列驻英国大使馆的武官内埃曼(Yuval Ne'eman,)也独立提出了完全相同的理论。他真是一个天才,完成使馆的公务以后,业余时间到帝国理工大学学习理论物理,第一次搞科研,就取得当年基本粒子物理最重要的成果。
在物理学的历史发展中,每一次物理理论的跃进,都伴随着新的数学知识的运用,同时,物理理论的进步,又促进了数学知识的丰富和完善。SU(3)群的八重态表示就像一个事先规划好的电影院,重子或者介子只需要依次对号入座就行了。
在二十世纪的中期,除了基本粒子以外,还有一种被称作共振态的粒子。最早的共振态粒子,是由恩里克·费米领导的实验组发现的,命名为Delta粒子。Delta粒子有四种,带有不同的电荷,它的自旋是3/2,质量比质子高300MeV。共振态粒子可以看作基本粒子的激发态,不仅能量提高了,自旋、电荷、同位旋等內禀性质也有可能改变。1962年7月份,罗切斯特学术会议(Rochester Conference)在瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)召开,盖尔曼和内埃曼都参加了这次会议。会议讨论的热点是最近实验发现的两组共振态粒子,一组称作Sigma*粒子,包括带有正电、负电和不带电的三种粒子;还有一组称作Cascade*粒子,包含两种粒子,一种带负电,一种不带电。这些新的共振态粒子有一个共同的特点,就是它们的自旋都是3/2。
当实验物理学家陈述实验发现的时候,盖尔曼就开始验算。他把奇异数为零的四个Delta粒子排成一行,又把新发现的奇异数为-1三种Sigma*粒子排成另一行,然后又把奇异数为-2的两种Cascade*粒子排在上面,啊,如果再有一个奇异数为-3的粒子就好了!盖尔曼就可以画出一个象金字塔一样完美的三角形了!更加令人惊异的是金字塔中的十个共振态粒子恰好构成SU(3)群的十重态表示。盖尔曼非常激动,似乎全身的血液都冲进了大脑,他要立即报告自己的新发现。实验家的报告刚结束,盖尔曼就手舞足蹈地要求发言,同时要求发言的还有内埃曼和另外几位物理学家。主持人让盖尔曼教授先说。盖尔曼阐述了自己刚刚验算的理论结果,认为新发现的共振态粒子和以前发现的Delta粒子一起构成了SU(3)群的十重态表示,还预言了一个奇异数为-3的新粒子,这个新粒子带负电,质量大约为1685MeV,盖尔曼把这个新粒子命名为Omega粒子。
其实,早在几天以前内埃曼就开始思考这个问题,也得出了同样的理论预言,还把他的预言结果传递给了一对实验物理夫妇。可是这一次,他又晚了一步,让盖尔曼抢先发布了共振态粒子的十重态理论,还预言了Omega粒子。这一科学事件告诫我们,听报告一定要坐第一排,并且要抢着发言。
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