孙宝玺
物质无限可分11:是夸克?还是部分子?
2024-12-6 13:57
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 二十世纪是物理学的世纪,而理论物理领域更是群星璀璨。在二十世纪的物理群星中,理查德·费曼(Richard P. Feynman)就是最具个性、最引人注目的那一颗星。费曼教授行为怪异,性格敏感,爱好广泛,多才多艺。对爱人忠贞不渝,生活中又放诞不羁。上帝赋予了他嬉皮士的作派,同时赋予了他天才的头脑。费曼教授经常在夜总会里一边看漂亮女人跳舞,一边在废纸壳上验算物理公式,有时还给舞女画像。 在费曼看来,物理和漂亮女人一样都是具体的、实实在在的、美好的、可以感知的事物,能够引起他浓厚的兴趣和无尽的遐想。

 费曼教授是一个卓越的理论物理学家,可是,他从来不愿意坐在办公室里按照教科书推导公式。所有的物理过程都能够在他的头脑中迅速形成物理图像,然后,费曼教授再把数学公式镶嵌上去,形成物理的理论。

 大约在二十世纪四十年代末,美国物理学家施温格(Julian Schwinger)完善了物理学领域中第一种量子场论——量子电动力学,当他站在讲台上耐心地展示那些冗长的数学推导的时候,坐在台下的理查德·费曼变得不耐烦了。报告间歇中,费曼跑到讲台上,用图示法简单明了地讲述了粒子之间的相互作用过程,从此,费曼图诞生了。显然,费曼受到了乳胶照相中电子径迹的启发,他只不过用波浪线把电子之间传递能量的光子加上去了。从此以后,所有的物理学家学会了用费曼图计算散射振幅,而所有的物理学发烧友都记住了费曼的名字。

 费曼教授还是弱相互作用的V-A理论的提出者之一。至少在1967年以前,也就是史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)提出弱电统一理论以前,V-A理论一直是最成功的弱相互作用的理论。直到现在,V-A理论仍然是最实用的处理弱衰变物理过程的有效方法。

 费曼教授还热衷于物理教学。从1961年9月到1963年5月,他为加州理工学院物理系的大学生讲授力学、热学、电磁学、光学、相对论和量子力学等课程。在讲课过程中,费曼教授注重物理分析,深入浅出,避免运用高深烦琐的数学方程,引导听众抓住问题的物理实质,然后再选择运用合适方法解决问题。后来人们根据费曼教授的讲课录音编辑出版了三大卷《费曼物理学讲义》。这套讲义不仅内容丰富,在深度和广度上都超过了传统的普通物理教材,还传播了费曼教授作为一名顶级物理学家看待问题,思考问题的方法。

 一名伟大的理论物理学家一定同时是一名优秀的教师,因为理论物理学家创造新的知识,优秀的教师向整个社会传播知识和文明。在这两个方面,费曼都做到了。

 在电子的深度非弹性散射发现以前,费曼教授努力避开跟强相互作用有关的所有研究。在他看来,还没有与强相互作用密切相关的实验积累,所有的理论研究不过是隔靴搔痒,根本不能解释强相互作用的物理实质。他对从对称性出发构建新的物理理论漠不关心,更看不上盖尔曼玩儿的那些拼图游戏,认为夸克模型与实验相去甚远,不是属于物理学的东西。

 费曼教授一度醉心于超导理论的研究。他的工作直接启发了伊利诺伊大学的巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.N.Cooper)和施里弗(J.R.Schrieffer)提出超导的BCS理论。伟大的物理学家总是不断研究新的科学问题,追求新的物理体验。这和国内的科研生态截然相反。国内的很多科研工作者不得不为一坨科研经费而折腰,为了申请到国家的科研资助,整日价活得唯唯诺诺,战战兢兢。更有甚者拉帮结派,沆瀣一气,妄图控制科研经费的评审和分配。从这一方面看,国内很难出科学大家,因为国内的科学研究是以经费为导向,而不是以科学问题为导向的。

 1968年的夏天,理查德·费曼来到斯坦福直线加速器国家实验室。很快他就提出了一个模型,用来解释电子的深度非弹性散射实验。在这个模型里,费曼假定质子内部存在着很多微小的粒子,他把它们称作部分子(parton)。当电子高速飞向质子时,在电子看来,相当于质子高速向电子飞来。此时,可以忽略质子内部的部分子的质量和垂直于运动方向的动量。于是,电子和质子的散射可以看成电子与质子内很多个部分子散射的加和。如果假定部分子是自旋为1/2的费米子,就可以导出比约肯预言的标度关系。由于夸克的自旋是1/2,人们很容易地就认为费曼预言的部分子就是盖尔曼预言的夸克。

 然而,事情并没有那么简单。盖尔曼假定介子由一对正反夸克组成,质子、中子等重子由三个夸克组成,可是,在费曼看来,质子内部存在着大量的部分子。于是人们假定重子内部除了盖尔曼预言的三个夸克以外,还存在着大量的正反夸克对,这些正反夸克对统称海夸克(sea quark),也就是构成夸克海的夸克,原来的三个夸克称作价夸克(valence quark),就像三只海鸥飞翔在广袤的夸克海上。自旋为1/2的部分子其实包括质子里所有的价夸克和海夸克。

 当费曼提出部分子模型的时候,他从来没有假定部分子的自旋、电荷等內禀属性。当部分子等同于夸克的时候,为了得到比约肯的标度不变性,夸克的自旋角动量只能取1/2。同样,为了得到质子的单位正电荷,u夸克只能带2/3个正电荷,d夸克只能带1/3个负电荷。

 费曼提出的部分子模型,形象地解释了电子的深度非弹性散射实验,得到了比约肯的标度不变性。同时赋予了夸克模型真正的物理意义。从此以后,夸克再也不是为了描述的方便引入的数学概念,而是真实存在于质子中的实物粒子,比基本粒子还要基本的物质结构层次。

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