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导读

十年停留深深影响我们这一代人,甚至更远。

黄涛

中国科学院高能物理研究所

1965 年9 月~1966 年6 月,北京基本粒子理论组首先提出了相对论性强子结构的层子模子,1966 年7 月在北京国际暑期物理讨论会上讲述了层子模子理论功效。层子模子理论是基于物质结构的条理性,以为基本粒子并不基本,强子是由下一条理的层子组成的,层子模子详细盘算中以夸克作为层子的一种方案组织相对论性强子结构模子。半个多世纪前的事仍然念兹在兹,我将分三部门回首这一科学功效的前因后果。

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层子模子前期

20 世纪60 年月初,天下粒子物理理论队伍仅有几十人,直接或间接师承三位老先进,张宗燧(1915~1969)、胡宁(1916~1997)、朱洪元(1917~1992)(图1)。这三位老先生的学术研究和学术气概各有所长,也直接影响着他们的研究生和追随他们的青年科学事情者。我国研究生制度随着政治形势几上几下,1956 年在向科学进军招呼下招收研究生,那时只有这三位老先生能招收研究生,人数很少,例如戴元本是张宗燧的研究生。在1957 年反右斗争袭击下住手了研究生制度数年,1962~1965 年恢复了研究生制度,在文化大革命袭击下又被作废。1978 年又恢复了研究生制度直至今日。值得一提的是在20 世纪50 年月天下仅有几位老先生懂量子场论,1958 年在青岛举行了天下暑期讲习班,由朱洪元系统解说量子场论,讲稿经整理后于1960 年9月由科学出书社出书,随即好几所高校开设了量子场论课程,朱洪元著的量子场论成为海内粒子物理学习量子场论的主要教科书。由于20 世纪50~60年月国际海内的形势,我们国际交流的渠道只有苏联一条道,至于美欧无交流渠道,仅能从迟到影印的国际学术刊物(国家买到原版学术期刊影印后各单元图书馆订购)中获悉国际高能物理的信息和最新揭晓的文章。我们海内的研究功效和学术论文既不能送到国际 *** 也绝对不能送到美欧学术刊物揭晓。海内能揭晓物理专业的学术刊物很少,仅有《物理学报》和《中国科学》。

图1 我国粒子物理学家张宗燧、胡宁和朱洪元

为了打开国际学术交流的事态,1964 年8 月21~31 日在北京举行国际科学讨论会,约请了日本、巴基斯坦等国科学家加入,中国科学家讲述了高能物理、原子核物理和快中子物理等方面的事情。日本著名科学家坂田昌一加入了 *** ,受到毛主席接见并谈到基本粒子物理中的哲学头脑,这对那时做基本粒子理论研究的人是极大的鼓舞和促进,我们刻意赶超国际水平,找差距,以便大干一场,并最先为做出好成就而深入调研。由于国家最高向导对基本粒子研究的重视,我们研究组那时在研究所的人没有下放加入那时的“四清”运动,还调动已加入“四清”运动的人回所做基本粒子理论研究。

国际上,1961 年,由盖尔曼(M.Gell-Mann)及奈曼(Y.Neenman)提出了用强相互作用的SU(3)对称性来对强子举行分类的“八重法”。这种分类异常像门捷列夫周期表对元素(原子)的分类。从数学上讲它们响应于SU(3)对称群的差异示意,这意味着那时所有发现的强子都可以准确无误地填充在响应的SU(3)群示意图中。八重法分类很好地说明那时已经发现的强子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性子的纪律性,这完全证实了强子按SU(3)对称性分类的准确性。1964 年盖尔曼(M.Gell-Mann)提出夸克假说(同时兹韦克(Zweig)也提出类似的假说)(图2),他在剖析了现状以后以为对八重法分类的乐成需要寻找一个基本的注释。从数学上讲,若是将发生SU(3)对称性的基础示意的三个基作为基础客体(fundamaental objects),设想它们为组成所有强子的基本单元就很容易明白为什么现有的众多介子和重子很好地按八重法分类。他将三个基响应的最小单元命名为三种夸克(threequarks),u,d,s。由对称性的基础示意的三个基可得出三种夸克的电荷划分为(Qu,Qd,Qs) =,解释基础客体的电荷不是电荷e的整数倍而是分数电荷。可是,自然界从未考察到分数电荷的客体。因此他在文章中也提出问题:它们只是物理上不存在的数学符号吗?

图2 盖耳曼(M.Gell-Mann),兹韦克(G.Zweig)

1965 年,莫尔柏果(G.Morpurgo)提出非相对论夸克模子,设想强子具有内部结构,由于实验上并没有发现具有分数电荷的夸克,一个直观的假定是夸克质量很大,由很重的具有分数电荷夸克和反夸克组成,它的质量超出于那时实验所能及的能量,文章假定夸克质量为5 GeV。由夸克模子盘算强子的静态性子如电荷、磁矩、质量等与实验相符很好。1966 年,达立兹(R.H.Dalitz)进一步在非相对论夸克模子框架内钻研了介子谱和核子共振态等。

1964~1965 年,海内有两个调研事情值得提起:一是原子能所理论室朱洪元先生率领人人调研“量子力学确立历史”,以便找出重大科学发现原始创新事情的头脑要素;另一个主要的调研是北京大学胡宁先生向导的理论组调研“基本粒子SU(3)对称性理论”,领会1962~1964 年,强子对称性理论及基于对称性示意理论提出的基础客体“夸克”。在这两个调研事情基础上,1965 年炎天,朱洪元和胡宁两位教授提议北京3 个单元(北京大学、中国科学院数学研究所和原子能研究所)基本粒子理论研究事情者定期举行钻研会(厥后中国科技大学研究职员也加入),深入调研、配合砚习、钻研国际上的最新希望。朱先生要我们几位研究生住手了色散关系的研究事情转入基本粒子物理对称性和夸克模子偏向的研究。讨论班曾突出地先容了那时国际上最新希望和存在于基本粒子物理强子对称性理论中的难题和矛盾。例如,北京大学先生就粒子物理理论研究几个方面的国际希望划分作综述讲述,朱洪元就近代物理学的重大生长作系统的剖析讲述,并睁开热烈的讨论。加入讨论的先生和学生逐步熟悉到20 世纪60 年月初已发现的基本粒子多达一百几十种,介子八重态、重子的八重态和十重态的强子质量谱的纪律好比于早年原子的元素周期表,正像元素周期表反映原子的内部结构一样,强子质量谱的纪律也是它们内部结构的反映,解释那时所谓的“基本粒子”并不基本。同时实验上丈量了质子形状因子,展现了质子不是点粒子而是具有一定巨细的粒子,这使我们熟悉到强子具有内部结构,若何从强子具有内部组元和结构的看法研究高能物理的讨论和互助研究。基本粒子大量发现和强作用SU(3)对称性的确立使得人们自然要问,岂非成百种强子都是组成物质的基本粒子吗,照样由几种更基本组元组成的?钻研会讲述了基本粒子对称性理论和强子分类新希望(包罗早年坂田模子和对称性分类的乐成和难题),经由调研和剖析发现了20世纪60 年月初实验上已解释强子具有内部结构最主要的实验事实。例如(1) 电子打质子的弹性散射实验发现了质子不是点粒子而是有一定巨细内部结构的粒子,而且丈量了质子的半径,约莫在0.8 fm,因此质子以至于上百种强子并不是“基本的点粒子”。(2) 前面已解释一百多种基本粒子能按对称性分类,像原子的门捷列夫周期表一样排列成八个一组或十个一组。门捷列夫周期表是原子内部电子漫衍结构的反映,基本粒子的八重法分类也一定反映质子、中子、介子等强子具有内部结构。(3) 实验上还发现许多高自旋的新粒子,如自旋3/2,5/2 等,它们很可能由自旋1/2 的更基本因素组成。然而实验上所有观察到的粒子都是整数电荷,盖尔曼提出的分数电荷夸克能否成为组成众多强子的基本因素?在谁人时刻要认可自然界存在分数电荷粒子在物理看法上是个主要突破。

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层子模子提出

在这些事实眼前,朱洪元首先从强子具有内部结构这一物理图像出发,创新地提出强子是由物理上真实存在的下一条理的基本因素元强子(1966 年6 月才称为层子)组成的约束态,那么强子所介入的相互作用归结为元强子所介入的相互作用,但那时并不知道约束元强子相互作用动力学机制,他提出通过唯象地引入表达元强子在强子内部运动的波函数来着手研究。他引入内部结构波函数,借用原子核理论中处置电磁跃迁和弱衰变的方式,并将夸克作为元强子的一种方案去组织强子具有内部结构的模子,研究了强子的电磁衰变和弱衰变详细物理历程。模子假定强子内部的元强子很重,在10GeV 以上,它们在强子内部的运动,可以作非相对论近似,但强子作为一个整体运动,必须具有相对论协变的性子。详细盘算中首先在强子静止坐标系,然后应用洛伦兹变换获得相对论强子波函数,对于物理历程则行使强子内部波函数以及物理历程中初、终态强子波函数的重叠积分将这些物理历程关联在一起给出较确定的理论预言。其效果获得了实验数据的支持,首战告捷。朱洪元早先约请了何祚庥、汪容、冼鼎昌、戴元本等小局限内讨论,很快在定期互助钻研会上讲述,这一创新实验讲述后极大地鼓舞了介入互助的基本粒子理论研究事情者应用到更多的电磁衰变和弱衰变详细物理历程扩大战果。何祚庥物理头脑活跃并具有很强的宣传激昂和科研组织能力,先在原子能所理论室组织一批青年和研究生解说朱洪元的头脑和盘算方式,列出扩大可盘算的一系列电磁相互作用和弱相互作用历程的菜单,分给列位加入者。很快我们投入主要的盘算相继获得了一批盘算效果,相互印证和激励,确认了这一模子的理论框架。进一步中科院数学所戴元本将内部结构波函数推广到相对论Bethe-Salpeter波函数。北京大学几位先生行使SU(6)对称性子和相对论波函数的普遍性子系统地表达了模子盘算效果。由于强子是元强子或反元强子的约束态,强子不能看成点粒子处置,因此要生长盘算含约束态的矩阵元的方式,自洽地处置约束态的内部运动波函数。1965~1966 年间,在配合互助钻研的基础上形成了北京基本粒子理论组,共有39 人,揭晓了3 本论文集,共42 篇论文,确立了基本粒子层子模子理论。通过这些模子探讨,人们熟悉到众多强子应具有内部结构,由下一条理的最小单元组成。强子的电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用的研究应确立在强子约束态模子的基础上,同时还要充实思量强子的结构特征和种种历程中的运动学特点,才气准确地注释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性子。一系列的研究功效解释差其余强子的动态性子,通过强子所知足的SU(3)对称性及相对论协变的约束态波函数有着一定的内在联系。通过元强子所介入的相互作用和强子内部结构波函数及波函数的重叠积分,将强子的一系列电磁相互作用历程和弱相互作用历程关联在一起,获得介子和重子的性子和衰变几率,那时的实验数据验证了约束态模子的理论对一系列历程的盘算效果。模子乐成地说明那时粒子物理实验数据的一些主要方面,纷繁的粒子物理征象出现出有机联系的、统一的图像。

图3 我国北京基本粒子理论组钻研层子模子理论,坐在前排沙发上左起何祚庥、戴元本、朱洪元和胡宁等(此照片来自人民画报为报道层子模子摄于20 世纪70 年月)

众所周知,科学论文只有揭晓了才气立此存照,连揭晓的日期都很主要。可是1949 年以后从不允许将文章送到外洋期刊揭晓,闭关自守,论文必须揭晓在海内学术刊物,否则图谋不轨。更不能思议的在文化大革命最先后,为了破旧立新的革命理想又先后将海内学术期刊所有停刊,写好的多篇论文无处投稿揭晓,怎么办?人人千方百计寻找揭晓的刊物,并向上级反映。钱三强(那时第二机械工业部副部长、中国科学院副院长)还专程来到中关村原子能所听取了汇报,激励我们起劲做出好功效并应允解决期刊揭晓问题。幸好,在钱三强和周培源(北京大学副校长)两位老先进(图4)和老向导的关切和干预下,这42 篇论文得以在第二机械工业部主管的《原子能》杂志1966 年第3 期和7~8 期和《北京大学学报》1966 年第2 期上揭晓(这两个刊物尚处于停刊前夕)(图5)。在那时条件下不提倡小我私人署名揭晓文章,大多数文章以整体署名的方式揭晓,脚注处标明撰稿人。现实上,这些文章揭晓时并没有用“层子”这一名称,最最先用的是“元强子”,顾名思义是组成强子的组元。层子一词是在1966 年暑期物理讨论会之前在民族饭馆准备 *** 讲述时众多加入职员讨论由钱三强拍板确定的,源于物质结构深入到下一条理,很可能有无限条理,英文译成“straton”。层子是组成强子的最小因素,它可以是具有分数电荷的夸克也可以是其他可能的整数电荷组成因素,有待未来的实验判断。模子组成以夸克为例,盘算效果解释与所有已知众多实验数据相自洽。虽然同样以夸克为例组成模子,但相对于那时的非相对论夸克模子,我以为层子模子的创新点有三:(1) 基于强子具有内部结构,它们是层子或层子与反层子的约束态的物理图像,引入反映强子内部结构的波函数较系统地皮算了一系列的强子约束态的弱相互作用和电磁相互作用历程矩阵元;(2) 行使包罗层子间动力学信息的强子内部结构波函数和波函数的重叠积分将一系列历程关联在一起,增强了盘算效果的关联性和确定性;(3) 强子的自旋波函数和空间波函数相对论化以形貌高速运动的强子。

图4 著名物理学家钱三强,周培源

图5 1966 年三本论文集揭晓了共42 篇文章

在北京科学讨论会1966 年7 月暑期物理讨论会(图7)上以“北京基本粒子理论组”整体署名的方式讲述了层子模子理论所取得的有科学价值的研究功效(图6)。著名物理学家萨拉姆(A.Salam)和与会科学家对层子模子的效果给予了好评。在那时情形下并非所有加入的研究职员能够加入 *** ,各单元党组织从政治上严酷审查和筛选加入暑期物理讨论会的代表和讲述人,仅有少数几位代表参会,以至于我们这些加入层子模子事情的大多数研究职员不被信托被拒之会外。那时,这些研究功效领先于国际上非相对论夸克模子,比国际上同类相对论夸克模子要早1~2 年左右。遗憾的是我们的文章以中文揭晓在海内异常通俗且即将停刊的期刊上,国际学术界无法领会和引用这些功效。1966 年暑期讨论会后,层子模子的效果可能由加入 *** 的萨拉姆和日本科学家先容到外洋,以至于国际著名科学家温伯格(S.Weinberg)厥后说:“北京一个小组的理论物理学家耐久以来坚持一种类型的夸克理论,但将其称之为层子,而不称之为夸克,由于这些粒子代表比通俗强子更深一个条理的现实”(见温伯格著《最初的三分钟》)。

图6 1966 年暑期物理讨论会上讲述的两篇论文

图7 北京科学讨论会1966 年暑期物理讨论会

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层子模子传承

层子模子取得系统功效不久,由于文化大革命被迫停留,科研职员纷纷下放到农村和军队农场刷新头脑,无一幸免。可以设想若是没有这十年中止,我们这些刚入门科研事情的研究生和青年科学事情者正值有创新能力的时期,很有可能在层子模子基础上做出一些主要的孝顺。举个例子来讲,层子模子研究历程中曾遇到自旋和统计的难题,1966年中科大刘耀阳的文章实验以三套夸克方案来解决,若是坚持探索并选对对称群完全可能走向提精彩自由度(国际上1972 年提精彩自由度,1973 年提出量子色动力学)看法的路上。然而科学研究蹊径上是没有“若是”的,有时谁先捅破窗户纸可能就是重大突破,其他人再谈“若是”也是无用的。十年停留深深影响我们这一代人,甚至更远。70 年月初,恍如大梦醒来发现国际上粒子物理理论飞速生长,早已从10 多年前的夸克模子生长到动力学的尺度模子理论。不仅非相对论夸克模子在随后的2~3 年内生长为相对论夸克模子,稀奇是美国1967~1968年电子-质子深度非弹散射实验,弗里德曼(J. I.Friedman)、肯德尔(H.W.Kendall)和泰勒(R.E.Taylor)发现了标度无关性纪律(scaling law),这一纪律解释他们发现了质子中称为“夸克”的更小的粒子,证实了强子内部夸克存在,完全确立了强子内部的最小单元夸克。理论家布约肯(J.Bjorken)首先熟悉到标度无关性纪律意味着大动量迁徙下电子是与质子内无限多点粒子相互作用。质子内不只是夸克模子中的三个夸克(称为价夸克)而且另有由夸克和反夸克组成的海夸克以及转达夸克之间相互作用的胶子。此纪律解释大动量迁徙下电子看到了质子内由夸克,反夸克以及将它们约束在强子内部的胶子组成的。那时著名物理学家费曼短暂接见斯坦福直线加速器中央(SLAC),他以物理直观剖析标度无关性纪律的物理寄义,洞察质子内部结构图像并提出质子内的这些无限多点粒子为部门子(Parton)看法。由此人们构建了”部门子模子”乐成地形貌了高能碰撞历程中种种物理征象。

同时基于Yang-Mills 非阿贝尔规范理论,形貌夸克和轻子之间电磁相互作用和弱相互作用统一模子于1967 年确立,统一形貌了两种差异类型的相互作用。夸克模子和层子模子中存在的自旋-统计难题也由于引入夸克具有“色”自由度而解决。1973 年确立了形貌带色夸克之间通过胶子转达的量子色动力学理论,成为强相互作用的基本理论。这意味着国际粒子物理学生长已从夸克模子生长到夸克和胶子相互作用动力学理论阶段。

20 世纪70 年月初,我们刚从完全停留状态到允许每周可用一半时间做研究,朱洪元和胡宁两位老先生激励我们在层子模子基础上深入和扩展已取得的功效。例如,1974 年何祚庥和黄涛基于强子是由层子和反层子组成的约束态图像提出的复合粒子场论。又如丁肇中和里克特发现粲粒子后将层子模子推广到SU(4)钻研新的粲强子内部结构等。可是文化大革命迫使粒子物理研究仍停留在10年前的唯象模子水平,再用已被弃捐十年的层子模子理论在国际上已毫无竞争力。1978年8月我国派出以朱洪元为团长的代表团首次加入了在日本东京召开的第19 届国际高能物理大会,最先并逐步扩大了国际学术交流,熟悉到海内粒子物理学生长与国际蓬勃国家的水平差距很大。我们只能耐劳起劲,迎头遇上。同年11月粒子物理理论科学家们群集在桂林举行了战略钻研会研究海内粒子物理理论下一步若何生长,钱三强亲自加入了 *** 并寄予了期望(图8)。

图8 1978 年11 月粒子物理战略钻研会参会职员在桂林大榕树下的合影,中立者为钱三强

时隔十多年后,我国科学生长终于迎来春天。国际交流不扩大,派出和请进增多,1980 年召开了广州粒子物理国际 *** 作为劈头,请了多位外洋著名华裔粒子物理学家加入,诺贝尔奖获得者李政道和杨振宁特邀出席。昔时的北京基本粒子理论组决议请朱洪元代表所有加入者在 *** 上做层子模子研究的总结讲述( 问题为Reminiscences of the straton model),系统地总结了层子模子理论的物理念头,盘算技巧和主要物理效果,以英文揭晓在 *** 文集。与会者李政道,杨振宁以及华裔粒子物理学家对20 世纪60 年月层子模子所取得的成就给予了一定和洽评。1982年,朱洪元、胡宁、何祚庥、戴元本等39人荣获国家自然科学奖二等奖,奖金中分。

层子模子这一成就由海内几位老先进率领一批中青年科学事情者创新提出新理论、新方式,受人瞩目。从科研学风上来讲层子模子这一成就至少有三点值得赞美和传承。第一,创新精神,在朱洪元和胡宁两位老先生的率领下创新地确立了形貌强子内部结构的相对论性层子模子理论。第二,互助攻关,在完成层子模子理论历程中,差异单元的研究队伍39 人互助攻关完成,这在中国理论物理学史上也是少见的。第三,人才培育,在短暂的一年时间内这一研究团队完成了42 篇论文,其中大多数加入者为研究生和青年科学事情者,从对粒子物理领域一无所知到事情在这一领域的前沿。我们这些年轻人很幸运加入了这项理论研究,学习几位老一辈科学家的物理头脑和科研方式,在层子模子框架内盘算了强子的电磁和弱形状因子和电磁跃迁历程以及推广到强相互作用的实验等,研究生也完成了结业论文,青年科学事情者受到了训练,所有加入者都从中熟悉了高能物理那时的前沿课题,培育了自力从事研究的能力,掌握了研究方式。

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