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雨星的博客

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日志

 
 

发现夸克、洞悉宇宙的人  

2010-04-28 16:36:43|  分类: 发现 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自科学松鼠会《发现夸克、洞悉宇宙的人》

            科学松鼠会发现夸克、洞悉宇宙的人
          Susan Kruglinski 文  Shea 编译

    默里·盖尔曼在粒子物理学上取得了非凡的成就,他也因为与费曼的争吵而闻名于世,而且他还错失过和爱因斯坦一起讨论的机会。

毫无疑问,夸克——组成质子、中子以及世间万物的基本粒子——有着一个奇怪而又迷人的名字。发现夸克的物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)犹如深爱物理学一样地深爱着这个词。他因为总纠正别人在念他姓氏时的发音而为人所知,同时乐于命名新的事物和想法也使得他闻名遐迩。在这其中,夸克是他最著名的发现。“夸克”一词由盖尔曼取材自詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的小说《芬尼根守灵夜》(Finnegans Wake)。这个高度科学化的术语集聪明、好笑和粗暴于一身,正如它的缔造者一样。

盖尔曼年轻的时候就开始对语言着迷,当时他幻想着语言学、自然历史和考古学可以帮助他来认识世界的多样性。他在上小学的时候跳了三级,因此非常年轻就上了大学。在先后就读于耶鲁大学和麻省理工之后,21岁的盖尔曼便在普林斯顿高等研究所开始了他的博士后工作,那个时候爱因斯坦还经常在校园里散步。之后他去了芝加哥大学和费米一起工作,后来当他在加州理工学院的时候又和著名物理学家费曼激烈地争吵过。

正是在那里盖尔曼奠定了我们对物质基本组成认识的基础。他以八重法写下了亚原子物理的蓝图。当时,物理学家知道质子和中子构成了原子,但是他们也发现了其他许多神秘的粒子。八重法让人们重新认识了难以理解的粒子物理世界,为甚至都未曾想到的粒子找到了位置。这一工作是如此的重要,使得盖尔曼赢得了1969年的诺贝尔奖。

1984年盖尔曼在圣塔菲研究所开始了在其他领域的研究工作,在这个研究所中科学家被鼓励从事交叉学科的研究。坐落于美国新墨西哥州沙漠中一座山高处的这个研究所被三角叶杨树和裸露的芙蓉石包围着,在这里一个鸟类学家可以在吃午饭的时候和政治学科学家讨论数据,并且可以由于没有纸和钢笔而用记号笔在窗户上写满统计的方程。正因为它的空间设计、色彩明亮的墙壁、蜿蜒的散步小径以及厨房里大量供应的糖果,圣塔菲看上去就像是科学家的乐园。

问:你以发现夸克这种组成我们宇宙的基本粒子而被广为人知。但是多年来你的同事中仍有许多不相信夸克的存在。这是为什么?

答:你无法直接看到夸克。它们又具有一些不寻常的性质,这就是为什么人们一开始就很难相信它的缘故。很多人不相信它,还有很多人认为我疯了。夸克永远被禁闭在了中子和质子中。你无法单独把它们提取出来研究。因此从这个方面来讲,它们确实有点特殊。

问:对于一个普通人而言应该如何来想象夸克?被束缚在原子中的小球?

答:在经典物理中,你可以把夸克想成点。而在量子力学中,夸克就不再是一个点了,它会具有很大的“弹性”。有时它表现的会像是一个点,但有时它又会弥散开,有时甚至它还会像波。

问:当粒子在对撞机中相互碰撞的时候是个什么样子?它们不会像桌球那样碰撞吗?

答:这取决于物理条件。在非常高能的情况下,两个碰撞的粒子之间不会发生反弹,相反它们的碰撞会产生大量的粒子。你会看到大量往各个方向飞散的粒子,这可能和现实更接近一点。

问:那么这是不是类似一个苹果和一个橙子之间的碰撞会产生香蕉一样呢?

答:不,不,不。你会得到所有类型东西,小苹果、小橙子,还有香蕉、反香蕉、葡萄……

问:那么有多少种基本粒子?

答:我们的标准模型是基于大约60种粒子的,但是也许还有更多。目前我们能探测的都是能量较低的粒子。

问:上个世纪60、70年代是粒子物理的全盛时期,发现了许多亚原子粒子——其中不仅仅是基本粒子。你能谈谈是什么指引你发现了夸克吗?

答:这对于我来说非常具有戏剧性。我当时已经花了几年的时间来研究参与强相互作用的粒子的属性。正是强相互作用束缚住了原子核中的粒子。强相互作用粒子包括了中子和质子,这两种是最常见的。但是在粒子加速器中当质子之间发生碰撞的时候发现了几十、几百个其他的粒子。这对于我们说,意味着中子和质子具有很多很多的能级。

问:这些粒子和质子以及中子很相似,但是通常并不存在于自然界,对吗?

答:它们是由加速器中粒子碰撞产生的,它们会在很短的时间内衰变。在非常短的时间里,它们就会变成其他东西。我曾经预言,Ω超子会衰变成一个中性π介子和Ξ超子,之后中性π介子又会衰变成光子,Ξ超子会衰变成负π介子和一个Λ超子。再然后,Λ超子会衰变成一个负π介子和一个质子。太阳的内部具有非常高的温度,但是即便如此也不足以产生这些粒子。

问:这些特殊的粒子还存在于物理实验以外的地方吗?

答:它们还存在于宇宙大爆炸之后不久温度极其高的时候,它们还会出现在宇宙线中。宇宙线绝大部分是质子,但是它们会撞击地球大气中的原子核,进而产生这些稀有的粒子。

问:但是当你在1964年预言夸克的时候,你意识到它并不仅仅是另一种普通的粒子,是吗?

答:是的。看着已知的粒子和实验数据,很显然中子和质子是由三种分数电荷的粒子组成的,我把它们称为夸克。直到那个时候所有已知粒子的电荷都是质子的整数倍。夸克永远被禁闭在中子和质子中,因此你无法把它们拿出来单独研究。于是中子和质子不再是基本粒子。推理并不是一件困难的事情,相信它才是,因为从来没有人听到过关于中子和质子的组成以及分数电荷,也没有听说过被禁闭在某种可观测粒子中的、不可直接探测的粒子。

问:随着时间的流逝,物理学家发现了越来越多的粒子。粒子的数量会是无穷大吗?

答:所有的理论物理学家都喜欢“简单”。在基本物理学中“简单”一直是一个可靠的向导。但是对于已命名的粒子数量来说,这一条似乎并不起作用。这可能是由于表达上简单的理论造成的。这些粒子的数量可能会一直增长下去,但是我们只能在实验中探测那些低能的粒子。

问:现在科学家寄希望在大型强子对撞机实验中找到另一些被预言的粒子。你认为这会为我们澄清一些事情吗?

答:这里还有另一种可能性,那就是发现了一些意料之外的现象。如果他们发现了一些全新的、无法解释的东西,这会在让我们失望的同时,又会让我们非常兴奋。

问:当你还是一个小孩的时候被认为是数学神童,但是数学并不是你唯一的兴趣是吗?

答:我记得我5岁的时候就开始翻看我父亲的书。他有一个非常大的图书馆。在大萧条期间,当我们不得不搬到小一点的公寓的时候,他不得不舍弃它们。他花了5美元让人搬走了他的图书馆。非常令人伤心。但是他大约留下50本书。其中之一是关于英语中单词的希腊语和拉丁语起源的。因此我了解了希腊语和拉丁语是怎么形成英语中的某些词的。这非常让人激动。这从那时起便开启了我对词源学的兴趣。

我的数学一直很好。我喜欢数学,喜欢学习它、使用它。我也喜欢历史,尤其是考古学和语言学。我经常和我哥哥一起谈论考古学和词源学,尽管他从来没有从事过有关的工作,但是他非常聪明,也知道很多。他还对鸟类和动物非常感兴趣。鸟类学中没有太多的科学原理,只是看到鸟儿之后识别出它们的种类、鸣叫和来自何方。和他一起去观鸟是那时最有趣的事情。我哥哥在我3岁的时候就开始教我认字了。

问:当你在大学的时候,兴趣是在考古学、自然历史以及语言学上。但是你父亲却希望你当一名工程师好来赚钱。

答:我说,我宁可受穷或者死也不愿意当工程师,因为我不擅长那些。如果让我设计什么,肯定会出问题。当我去耶鲁的时候,我接受的一个能力测试。当测试顾问给我测试结果的时候,他说:“你可以做许多其他的事情,除了工程师。”

问:那后来你是怎样选择物理的呢?

答:在我父亲放弃让我当工程师的想法之后,他说:“我们妥协一下,你去学物理怎么样?广义相对论、量子力学,你会喜欢它的。”我想我可以去试一下我父亲的建议,我不知道为什么。我从来没有听过他的建议。他告诉我,如果我深入的话物理学会是如何的美丽,这份美吸引了我。我父亲喜欢物理,他是爱因斯坦的崇拜者。他会把自己锁在房间里学习广义相对论,尽管他从来没有真正懂得它。我的观点是,你必须先轻视它,然后才能掌握它。

问:这是为什么?

答:如果你太景仰它,就会对它望而生畏,于是你就不会去学习它。我父亲就认为广义相对论非常难,要花上好几年的时间才能弄懂,而且世界上只有几个人真正懂它,等等。但是我在耶鲁的时候有个好老师亨利·马吉诺(Henry Margenau),他的态度正好相反。他认为,只要学了数学人人都可以懂相对论。他说:“我们在星期二和星期四准备数学,到了星期天和下周二就能学广义相对论。”他是对的,效果不赖。

问:你认识历史上一些最伟大的物理学家。在你的心目中谁的地位最高?

答:我不会盲目崇拜别人,尤其是物理学家。费曼非常出色(1965年因为他在粒子物理中的贡献获得了诺贝尔奖),但是并没有他自己认为的那么出色。他太自我,在奇闻轶事上花了太多精力。费米也非常杰出(他研发了第一个核反应装置),但是他也有他的局限性,犯过错。在我从事的理论物理领域中,我还没有看到谁是不具有局限性的人。

问:回到那个年代,你觉得你周围的人特殊吗?

答:不觉得。我认识他们中的大部分。我不认识薛定谔,由于某些原因我错过了认识他的机会。但是我确实和海森堡的关系不错。他也是量子力学的发现者之一。但是当我认识他的时候,尽管他还不是很老,但是或多或少有些古怪。

问:怎么个怪法?

答:他有时候会不知所云。他会把一些胡扯的东西称为理论。他的目的是为了找到一个能包含所有粒子和力的统一理论。他思考着一个方程,但是这个方程丝毫没有实际意义。用它根本行不通,无解。但是泡利是个有趣的人,他不会像海森堡那样去触及一些至少在物理上是疯狂的事情。他同意参加海森堡的计划。

但是后来泡利来了美国,有不同的人和他一起工作,其中也包括费曼和我。许多人告诉泡利:“听着,你不应该掺和这事儿,这完全就是胡扯,你要为你的名声考虑。”泡利表示同意,并且给海森堡写信,大致说:“我退出,这没有意义。”在另一封信中,泡利画了一个矩形,然后写道:“这是为了证明我可以像提香(画家)一样描绘这个世界,但唯一缺乏的是技术细节。泡利。”换句话说,海森堡提供了一个画框,但是没有画。我和泡利非常熟。我也认识迪拉克,他是个非常怪的人。

当然,我认识这些人的时候他们都已经老了,而并非是在他们年轻并且取得最重要成就的时候。但是,我确实认识这些被人们崇拜的人。我不认为他们有多特殊。不过现在回头看,那个时候确实是一个令人激动的时代。

但是,我的老师维克多·韦斯科普夫(Victor Weiskopf)指出这里有一个很大的不同。那就是那些从1924年、1925年开始认识到原子和分子真正如何运转的量子力学的开创者,他们也会问一些甚至可能只有普通人才会问的简单问题。例如,维克多曾说,其中一个问题是为什么我的一根手指无法穿过另一根。最终这演变成了不相容原理(两个粒子不能同时占据空间中的同一个位置),等等。然而现在你不得不小心谨慎地提问。

问:你和费曼在加州理工发生的故事非常著名。那是怎么回事?

答:在33年的时间里,我们的办公室是紧挨着的。当我刚到加州理工的时候,我对费曼非常非常热情。他也被我吸引住了,但我觉得他有点极端。和他一起工作我获得了很多快乐。他很有趣,也很聪明。

问:那么关于你们两个人之间的分歧呢?

答:我们一直都会争论。当我们曾经很友好的时候,我们会争论。后来我对他不是那么热情了,我们也争论。当时他做了一些非常好的工作——但并不非常艰深,对于了解质子和中子的结构非常重要。在那个工作中他提到了夸克、反夸克和胶子,不过他没有这么称呼它们。他称它们为“部分子”。这个词一半来自拉丁语,一半来自希腊语,很愚蠢。他说他不关心它们是什么,因此他为它们造了这个词。但是它们就是夸克、反夸克和胶子,他本来是可以这么说的。后来人们真正意识到了它们就是夸克,因此就有了后来的“夸克-部分子”模型。我们最终建立了一个理论——并不仅仅是我一个人,是大家合作的结果。我们建立了量子色动力学,这个词是我提出的。量子色动力学描述了夸克和胶子之间的相互作用,正是这种相互作用把夸克束缚在了一起。不过费曼不相信它。

问:他不相信这个理论是正确的?

答:是的。他有基于他的部分子的其他理论。几年之后他最终放弃了,因为他很聪明,意识到我们是正确的。但是他坚持,我不明白为什么他会这么做。部分子……

问:费曼的古怪是出了名的。你们以前有没有一起搞怪?

答:我们确实做过许多有意思的事情。他的一个朋友是一个上了年纪的美国画家。我已经去世的妻子玛格丽特以及我和他的关系也很好。他过生日,玛格丽特和我想送他一只孔雀。因此我们和费曼夫妇合伙。他们先把他的注意力吸引到别处,然后玛格丽特和我则把孔雀放到他的卧室里。他的床上有一只孔雀!这绝对是不可思议的生日礼物。

问:你是否觉得费曼成为这样一个名人有点奇怪?

答:费曼是一个特殊的例子,因为他是一个十分聪明、极端而又成功的科学家,但同时他也是个小丑。有时他甚至更像小丑而不是科学家。

问:但是你和费曼能就物理进行非常深入的讨论。你们彼此非常契合,是吗?

答:有几年,后来我就开始厌烦他了。他总是太自我。每件事情都想证明他的聪明。因此,如果在讨论中我们得到了一些有趣的结果,他的解释就是,“你看,还是我聪明。”这很恼人,因此几年之后我就不和他一起工作了。

问:对于费曼、爱因斯坦或者其他的传奇性物理学家,你认为他们是天才吗?

答:爱因斯坦十分特殊,他创造了广义相对论。即使在今天或者34年前做出这样的工作都是非常令人震惊的,是非常非常杰出的成就。但是他却是在1915年做的,这就让人难以置信了。

问:当你在高等研究所的,爱因斯坦也在那里。尽管那时他已接近生命的最后时刻,你有没有从他身上学到些什么?

答:我本来可以的。我本来可以和他的秘书预约,然后和他见面的。我本来可以问他一些问题,如果是现在我立马会去做。但是我发现,他不相信量子力学,不了解我们所研究的粒子。如果我向他展示我所做的研究,他不会有任何反应。而如果他告诉我他正在做的东西,我也不会相信的。因此我什么也没做。我会说:“嗨,早上好。”他会回答说:“早上好。”(一半英语,一半德语。)就这些。

问:你现在在做些什么?

答:和来自全世界的其他一些人一起,我们正在寻求另一种描述熵的数学方法,这对于描述诸如金融市场或者社会相互作用这样的不同环境而言将会是有益的。它也许最后会变成一个非常灵活的工具。这也正是我们所希望的,当然也有人认为它根本就没什么用。

(本文已刊载于《世界科学》2009年第6期)

[Discover 2009年04月]

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