“夸克之父” 离世,人类还会有更“小”的发现吗

2010年5月11日, 武汉。“夸克之父” 盖尔曼与华师师生互动。视觉中国供图

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2019年5月24日,夸克理论的提出者默里·盖尔曼(Murray Gellmann)去世。

基本粒子是什么?1932年,查德威克发现中子;1934年,汤川秀树预言介子的存在(1947年由鲍威尔证实);1949年,费米和杨振宁认为,介子是由核子及其反粒子组成的。

20世纪70年代,盖尔曼也深陷寻找基本粒子的泥潭。这位犹太人觉得存在一种性质怪异的新单位,比如电量是电子电荷的1/3,遭到导师训斥。

但盖尔曼十分坚持自己的想法,他创造性地引入了比介子更基本的结构——夸克。后来他在自己的著作中说,这名字来自乔伊斯小说里鸭子的叫声。

截至今天,它还是人类已知“最小”的粒子。但人们相信,即使还没有公认的理论,也没有观测到——

粒子还可以“更小”。

作者 | 杨芳

1974年在美国波士顿举办的一次介子专家例会上,哈佛大学教授格拉肖与所有与会者打了个古怪的赌,在第二年的例会上只能出现以下三种情况:

其一,粲夸克依旧发现不了,那么格拉肖当众把自己的帽子吃下去。其二,粲夸克被在座的介子专家发现,那么大家一起开香槟庆贺。其三,粲夸克被研究介子以外的物理学家发现,那么所有在座的介子专家都要把自己的帽子吃下去。

更早些时候,这位理论物理学家就根据第四种轻子的发现,预测出第四种夸克的存在。他用“charm”来命名自己的预想,意思是“魔力和符咒”。不料一语成谶,10年内没有任何人找到这类夸克组成的粒子。

事实上,这些“狡猾的家伙”本来就难以发现。正如夸克概念的提出者盖尔曼所解释的,由于夸克有一个非同寻常的性质,就是永远囚禁在中子或质子里,所以无法直接探知,只能通过实验证明它的存在。在《夸克与美洲豹——简单性和复杂性的奇遇》一书中,这位天才物理学家阐释了夸克的相关理论。

长久以来,人们普遍相信原子是物质的基本单位。这一理念直至20世纪前后电子、原子核与中子的相继发现才被重新更新。自此,微观世界又细分为带正电的质子,不带电的中子和带负电的电子,以及早就为人所知的光子。

这些发现无疑给物理学极大的冲击。向来悲观的量子力学大家泡利,当时曾设想两年后撰写回忆录:“留下的只是数学上的问题,很难想象物理还能剩下什么激动人心的东西。”

这一“定论”首先被日本学者汤川秀树打破。仿照电磁场理论,这位获得诺贝尔奖的第一位东方人建立了介子理论。原子核与电子的电磁力作用有光子产生,同理质子和中子间的作用力也应该有一种类似光子的媒介,这就是介子。

起初没有人支持这位小个子的畅想。他曾拿着论文找过在日本讲学的玻尔,玻尔反问道:“怎么,你难道想说我们这个世界还有别的粒子?”

这一遭遇与盖尔曼颇为相似。上世纪70年代,盖尔曼也深陷寻找基本粒子的泥潭。这位犹太人隐约觉得存在一种性质怪异的新单位。比如,电量是电子电荷的1/3。他把这一想法告知导师外斯科夫,这位前辈训斥道:“这可是越洋电话,不要把钱花在此类无聊的游戏上好不好?”当时理论界公认的电量最小的单位就是电子携带的基本电荷。

但盖尔曼十分坚持自己的想法,他创造性地引入了比介子更基本的结构——夸克,并分为上夸克、下夸克和奇异夸克三种。质子就是由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成。

盖尔曼透露这个词来源于乔伊斯的意识流小说《芬尼根彻夜祭》。其中提到苏格兰一种野鸭的叫声,“夸克……夸克……夸克……三只海鸟伸直脖子,一齐冲着绅士马克。但除了三声夸克,马克一无所得”。

盖尔曼是个观鸟爱好者,向来喜欢给自己的理论命名。1966年,他提出了粒子结构的八重法分类方案,被人誉为堪比门捷列夫的元素周期表。这个名称的灵感是佛教中八种免除人生痛苦的劝说。

关于夸克是否真正存在一直有争议。盖尔曼解释说,自己最初提出的是“数学上”的夸克,绝非“真实的”夸克。如此注意语言选择的原因,是因为他并不想面对哲学上的争论。

他不无尴尬地说:“一旦这种误解在通俗作品中出现了,就会使误解永远存在下去,因为许多作家会简单地相互抄袭。”

这种担忧现在看来未免多余。随着实验设备的日益先进,夸克的家族在逐年扩大。新增的成员一个叫顶夸克,一个叫底夸克。上世纪末底夸克的发现令科学家得出有关夸克的完整图像。

就在格拉肖提出赌局的当年11月,在布鲁克海文国家实验室的美籍华人丁肇中以及斯坦福直线加速器实验室的里希特同时找到了这种介子,粲夸克的存在被证实了,这就是轰动物理学界的11月革命。夸克再也不是可笑的臆测,而是真正的物理存在。

第二年的介子会议上,格拉肖得意洋洋地等着其他的物理学家履行诺言。因为丁肇中等并不是介子研究者。这时服务员给每人端上一盘糖果,形状就如同一顶顶墨西哥草帽。

《夸克与美洲豹——简单性和复杂性的奇遇》

【美】M·盖尔曼著 杨建邺、李湘莲等译

湖南科学技术出版社出版

(本文原载于《中国青年报》2007年10月10日 11版)

中国青年报·中青在线出品

微信编辑|秦珍子