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天津市天文学会会员 天津科技馆科普辅导员 读书会共读老师 1935年，日本物理学家汤川秀树提出，原子核中有一种力把质子和中子连在一起，而这种力的载体可能是比电子重约200倍的粒子。仅仅两年后，人们发现了介子，似乎满足了这个要求。但这并不是汤川秀树提出的场粒子。根据人们预测，所有核力的载体都会与物质发生强烈的相互作用，可是介子并没有发现有这种作用。1947年，布里斯托尔大学的物理学家塞西尔·鲍威尔和他的团队在法国比利牛斯山脉的日中峰山顶做宇宙射线实验时，发现了另一种粒子。这个粒子具有稍大的质量，是电子质量的273倍，分正负两种，这种粒子就是汤川秀树预言的粒子。介子被重命名为μ介子，后来简写为μ子。而鲍威尔等发现的新粒子被称为π介子。随着基于宇宙射线探测粒子的技术越来越精密，人们发现π介子之后不久，又发现了正负K介子和中性的Λ粒子。K介子和Λ粒子的行为相当奇怪，而且物理学家因为缺乏更科学的描述符号，就给这些新发现的粒子赋予了一个统一的称谓，叫“奇异粒子”。二战之后，欧内斯特·劳伦斯得到了政府的慷慨资助，将战争时用来分离铀同位素的184英寸回旋加速器重新用于和平的目的。1949年，伯克利辐射实验室的物理学家用回旋加速器发现了中性π介子。
随着纽约布鲁克黑文国家实验室、加州伯克利实验室以及俄罗斯杜布纳和瑞士日内瓦等地建设起新的同步加速器，不久后很多粒子相继被发现：其中包括正、负和中性Σ粒子，负、中性Ξ粒子，反质子、反中子，还有泡利期待已久的中微子。新的粒子层出不穷。而且粒子不断加速，能量越来越大，实验家揭示出的不是潜在的“简单性”，而是错综的“复杂性”，一个名副其实的粒子“动物园”。一些不同寻常的新事物，随着奇异粒子一起被物理学家们发现。
物理学家意识到，他们正在见证两种不同核力的作用。强力与“普通”粒子，如质子和π介子的相互作用，产生了奇异粒子。然后，这些奇异粒子在分解前会在探测器中传播，产生特别的“V”形轨迹。它们的寿命相对长些，说明尽管是通过强力产生的，但它们衰变模式受到弱得多的核力的支配。实际上，正是这个力支配着放射性β衰变。在普林斯顿，荷兰裔美国物理学家亚伯拉罕·派斯逐渐确定，这种行为无法用已知的量子数，也就是电荷、自旋和同位旋等来解释。他提出，需要一个新量子数，并将其命名为N。普通粒子的N=0，这些新奇异粒子的N=1。派斯认为，在强力的相互作用中，这个神秘的新量子数N是守恒的：新产生的粒子总的N必须与发生反应的粒子总的N相同。然而，新粒子一旦产生，强力就无法把N为奇数的奇异粒子分解回N为偶数的普通粒子。派斯假设，也许只有弱力能够这样做，因为某种意义上来说，弱力并不遵守这个奇偶守恒定律。美国物理学家默里·盖尔曼觉得派斯的说法有点拼凑的意思。1929年，盖尔曼出生在纽约，15岁时就考入耶鲁大学，1951年在麻省理工学院取得博士学位时才21岁。他在普林斯顿的高等研究所短暂工作过，而后转到芝加哥，与费米共事。正是在芝加哥，他开始投身到奇异粒子的谜题之中。盖尔曼设计的方法依旧令人不好理解，但比派斯的方法综合性更强。盖尔曼提出了奇异性的观点，奇异性是奇异粒子的新属性，虽然奇异性的根源还不知道，但盖尔曼认为，无论奇异性究竟是什么，它在强力的相互作用中是守恒的，这点与电荷守恒很像。派斯意识到，他一直在寻找的新量子数，盖尔曼已经正确地指出来了。这不再关乎“偶数”和“奇数”。如果一个奇异粒子在两个普通粒子的强力反应中产生，而这两个粒子的奇异性都为零，那么奇异性守恒就意味着，它不可能是自生的。比如，一个加速的负电荷π介子与质子相撞，产生一个中性的K介子，假设它的奇异性为+1和一个Λ粒子，奇异性为-1。这些粒子必然总是一起产生的，以保证奇异性在总体上守恒，这种现象叫作“缔合产生”。一旦产生，奇异粒子就无法被分解，除非通过弱力的相互作用。如果对奇异性缺乏基础性的解释，盖尔曼的方法就不会被物理学界普遍认同。1956年，奥本海默把它称作“暂时的解法”。奇异粒子的行为让大家对弱核力重新产生了兴趣。早在20世纪30年代，费米就提出来一种详细阐述β放射性的理论。费米比较了支配β放射性的弱作用力和电磁力。在电磁学理论中，两个电子互相接近，会感受到电磁力，交换一个虚光子，然后彼此偏离。费米推测，同样地，中子受到弱核力的作用会变为质子，与电子和中微子交换“某种东西”，当时费米还没有准备好猜测出这到底是什么东西。从得出的与电磁学相似的理论中，费米能够推导出发射的β电子的能量范围。稍微调整之后，费米的理论到今天一直用到了今天。1949年，哥伦比亚大学的华裔美国物理学家吴健雄的实验证实了费米对电子能量的预测。费米推断，在β放射现象中，“中子―质子对”和“电子―中微子对”构成的粒子流之间的耦合强度，只有电磁学中带电粒子之间的等效的耦合强度的一百亿分之一左右。这种力或许很弱，却有某种深远的影响。由于弱力，几乎从刚被发现的那一刻起就被视为“基本”核粒子的中子是天生不稳定的。一个自由中子的平均寿命仅有18分钟。20世纪40年代末期，β放射性成为一种普遍现象的常见表现，人们称其为普适费米相互作用。但是电磁学中的一种不可打破的对称性和带电粒子波函数在反射下的行为有关，这种性质被称为宇称。如果改变粒子的空间坐标的正负号不改变波函数的正负号的话，就可以说这种粒子具有偶宇称，可以近似的理解为坐标轴对称。如果波函数的正负号发生了改变，则粒子具有奇宇称，可以近似的理解为原点对称。据物理学家所知，在所有电磁和核的相互作用中，宇称都是守恒的。除了人们眼中那些令人信服的实验证据之外，宇称守恒的假定从很大程度上说，也是出于物理学家的直觉。可问题是，有两种带正电荷的奇异粒子，当时被命名为“tau”（希腊文第19个字母τ）和“theta”（希腊文第8个字母θ），无论从哪方面来看，它们都像是同一种粒子，其质量和衰变率也都一样。但正θ粒子衰变成两个π介子，每一个都具有奇宇称。两个奇宇称的粒子产生一个总的偶宇称，就像-1乘以-1等于+1。然而，τ粒子衰变成三个π介子，同样，每一个都具有奇宇称。三个奇宇称的粒子产生一个总的奇宇称，就像-1乘以-1乘以-1等于-1。不太乐观的暗示开始出现：如果τ和θ真的是一种粒子，那么弱相互作用可能就不遵循宇称守恒了。杨振宁和他的同事华裔物理学家李政道决定检查实验记录。他们发现对弱力的相互作用来说，并不存在支持宇称守恒的实验证据。1956年6月，他们发表了一篇猜测性的论文，抛出这个问题：在弱相互作用中，宇称是守恒的吗？同年年末，吴健雄、埃里克·安布勒及其在美国国家标准局实验室的合作伙伴，进行了一系列严谨的实验，实验结果给出了答案。这些实验测量了从放射性钴―60原子中发射出来的β电子的方向。这些钴―60原子被冷却到接近绝对零度，通过外加磁场，它们的原子核被排列在一个方向上。β电子发射如果是对称的，就说明没有哪个方向是特殊的，这意味着宇称守恒。不对称的发射则说明宇称并不守恒。实验结果胜于雄辩。人们发现，上帝的确是个“软弱的左撇子”。在弱力的相互作用下，宇称是不守恒的。τ粒子和θ粒子变成了同一种粒子，也就是正K介子。随后，理论物理学家和实验物理学家在弱力的确切性质上，又产生了分歧。其间，盖尔曼于1955年转到了加州理工学院，在那里他与费曼合作研究弱核力理论，逐渐迷上了杨―米尔斯场论。费曼和盖尔曼，以及印度裔美国物理学家乔治·苏达山和美国物理学家罗伯特·马沙克提出，弱力必须具有某种所谓的矢量属性。1957年年底，莫里斯·戈德哈伯和他在布鲁克黑文实验室的同事继续做实验，确定中微子是“左撇子”，而反中微子是“右撇子”，证实普适费米相互作用具有普适性，并把弱力确定为一种基本自然力。费米在β放射性方面的论文具有里程碑式的意义，他对弱力和电磁力进行了类比。他把电子质量作为计算标准，估算了力的相对强度。1941年，施温格假定弱力的载体是体积大很多的粒子，他对这个假定做了深入的思考。根据他的估计，如果场粒子真的是质量为质子几百倍的粒子，那么弱力和电磁力的耦合强度或许实际上是相同的。这是史上第一个暗示弱力和电磁力有可能统一的观点。1957年11月，施温格在《物理纪事》上发表了一篇论文，推测弱力是以三种场粒子为中介的。三个粒子中，有两个是用来解释电荷在弱相互作用中的传播的，分别是W+和W-。而第三个粒子，则用来解释没有电荷发生转移的情况。他认为，这第三个中性粒子就是光子。施温格对他的理论做了修改，以便与当时盛行的对弱力本质的诠释保持一致。后来，那种诠释也被证明是不对的，他就彻底放弃了对弱相互作用的研究。不过在这期间，他把这个问题分配给了他指导的一个哈佛大学的研究生，这个研究生就是谢尔顿·格拉肖。格拉肖出生在美国。1950年，他与同班同学斯蒂芬·温伯格和杰拉尔德·费恩伯格一起从布朗克斯科学高中毕业。他与温伯格去了康奈尔大学，于1954年获得学士学位。毕业后，格拉肖又去了哈佛大学读研究生，他的导师就是施温格。作为博士研究课题，施温格让格拉肖把W+和W-作为弱核力载体来研究。两年时间里，他都在专心研究这个问题。他进行了认真的思考。格拉肖发现，W粒子携带电荷的这个事实意味着不可能把弱力理论从电磁学理论中分离出来。于是格拉肖想到了杨振宁和米尔斯发展的场论。施温格认为三个场粒子就是两个W粒子和一个光子，格拉肖对导师的论点没有怀疑。他谨慎地研究，确认与W粒子相关的相互作用会同时违背宇称和奇异性守恒，而与光子有关的相互作用却不会违背。1958年11月，格拉肖认为自己已经明确得出了弱力和电磁力的统一理论。他甚至还认为这个理论是可重整化的。但是，格拉肖还是错了，他回到哥本哈根做了进一步的思考。实际上，此时格拉肖提出的三个弱力粒子，相当于最初由杨振宁和米尔斯提出的三个B粒子。格拉肖的这三个粒子分别用W+、W-和Z0表示。事实上，格拉肖的这个理论并没有得到多少支持者。因为当时还没有人能够解决W+、W-和Z0这三个粒子该如何获得质量的问题。正如杨振宁和米尔斯的发现一样，这个场论预言力的载体应该像光子一样，没有质量。但弱力的载体应该是有质量的粒子，而且“手动”加上质量会使该理论变得非重整化。接下来是Z0的问题。中性力载体的存在应该在实验中以弱中性流的形式表现出来。但在所有的奇异粒子衰变中，都找不到这种流，而奇异粒子衰变已经成为粒子物理学家研究弱相互作用的主要参考标准。格拉肖的解释似乎从未得到实验物理学家的认可。他认为Z0比带电荷的W粒子质量大得多，与Z0相关的相互作用完全超出了最大的粒子加速器能力的范围。这个时候，理论物理学家陷入了死局。高能物理学家异想天开，引发了一次粒子爆炸，这已经成为理论物理学家的救命稻草。量子场论形势低迷，而且不管怎么说，它都不是唯一备用的理论。有人宣称，量子场论已死。现在，只能等待一种新的粒子出现才能破局，关于这个新的粒子，咱们下次再说。“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是张喆老师。他曾组织过天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于科普爱好者，此栏目是一个相当大的福利。期待张老师下一次更新！
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