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博学多才

2020-02-08 04:31

默里·盖尔曼(MurrayGell-Mann,1929-)因对基本粒子的分类及其相互作用方面的卓越贡献,特别是他提出的“夸克”粒子模型,开辟了人类对物质结构认识的新纪元,从而使他荣膺了1969年度诺贝尔物理学奖,成为粒子物理学界一名当之无愧的顶尖人物.甚至有人誉他为爱因斯坦的继承人之一现就他的成长历程、探索足迹与显赫的成果,以及他敏锐的直觉、与众不同的科研风格作一简要的论述. 1出身于书香门第的科学大师 1929年9月15日,盖尔曼出生于纽约的一个教授家庭.在父亲和哥哥的培养和影响下,盖尔曼的兴趣非常广泛.除了终生酷爱语言学、自然历史和数学外,他还爱好音乐和娱乐,喜欢滑雪,登山旅行;对待生活他敢于冒险和挑战;特别值得一提的是他还是一个痴迷的鸟类观察者,曾漫游大半个世界去寻找研究观察了数百种鸟类. 盖尔曼从小就显示出超人的智慧,常被人们称为奇才.在他只有8岁时,就获得过一笔奖学金,以优异的成绩从一家地方公立学校升人纽约的一所高级学校.盖尔曼19岁就毕业于耶鲁大学,1951年在麻省理工学院获哲学博士学位,并成为普林斯顿大学高级研究院的科研人员.1953年到芝加哥大学任讲师,加人了以费米(EnricoFermi)为核心的研究集体之中.1955年他受聘于加州理工学院,任理论物理学副教授,一年后晋升正教授.因此,盖尔曼是位很早就显露头角的科学家. 2新的量子数—奇异数的引入 对奇异量子数的研究是盖尔曼的主要贡献之一在20世纪40年代末50年代初,研究人员在宇宙线和大型加速器实验中发现了一批具有新奇特性而当时又无法解释的粒子.为了揭示这些粒子的奇特性一一产生快、衰变慢,并总是协同产生,非协同衰变.盖尔曼和日本的西岛和彦分别于1953年和1955年各自独立地提出了奇异量子数的概念,并创立了解释上述粒子奇异性的盖尔曼一西岛法则.奇异数方案指出,不同的粒子具有不同的奇异数S.指定K介子S=l;n,超子的s=一1;u超子的s=一2;SZ超子的S=一3,反粒子与相应粒子的奇异数符号相反,光子、n介子和核子的S=0,轻子没有奇异数.盖尔曼指出,在强相互作用中,奇异数是守恒的.即凡是能够实现的强作用过程,反应前后奇异数的代数和是不变的.这就解释了为什么奇异粒子的衰变不能由强作用引起以及非奇异粒子的碰撞中奇异粒子为什么会成对产生.盖尔曼还证明了在电磁相互作用中奇异数也是守恒的,而在弱相互作用中奇异数不守恒. 奇异数方案的提出,标志着粒子物理学发展的一个新阶段.它为介子、核子和超子的分类提供了一个重要的规则.它不仅成功地解释了奇异粒子的行为,而且预言了一些后来陆续为实验所证实的新的奇异粒子的存在.奇异数守恒定律已成为粒子物理学中的一个基本定律. 3优美简洁的八重法理论的创立 1961年在奇异数守恒定律的基础上,盖尔曼又提出了SU<3>对称性.对当时人们从实验中发现的大量的强子,进行了有秩序、有规律的描述.1962年,盖尔曼和以色列物理学家内曼分别独立提出了“八重态”的分类方法,它的得名乃是由于每8个粒子能填人SU<3>群的8维表示中.他们假设,8个质量最小的重子(质子、中子及其激发态):2个核子,3个乏超子,2个三超子及1个n超子,构成一个.‘超多重态”.就像是一个八角形,8个粒子分处各个顶点.这8个重子,自旋都是1/2,宇称均为正值,质量相近.只是电荷不同、同位旋不同、奇异数不同,如图1所示.从图中我们不难发现,这8个粒子的排列是井然有序的,其纵坐标为y,横坐标为1.从排列上可以看出一定的规律.即从左上向右下的方向,同一直线上的粒子电荷数相同;沿水平方向向右,同一直线上粒子的奇异数相同.据此,盖尔曼在他的八重法方案的报告中指出:“八重法:一个强作用对称性的理论”,并以“重子和介子的对称性”作为该方案正式公开发表的论文的标题. 盖尔曼打算用八重态方法把所有新的粒子和新的量子数都综合进来.按照这一方法,还可以把当时已知的9个重子共振态排列成“十重态”的对称图形.图2中实心圆圈表示的是4个△粒子、3个激发态粒子、2个三‘粒子所处的位置,惟有A点是一个空心圆圈,即表示当时尚未发现的粒子.从这个图形的对称性出发,可以推出处在十重态尖端空位A点上这个粒子的特性.1962年,盖尔曼在欧洲核子中心的会议上预言了这第十个粒子,即“失踪了的”粒子—n粒子,它的电荷Q=一1,奇异数1964年,人们在美国布鲁克海文实验室发现了n粒子,并与盖尔曼的预言完全吻合.正是这个失踪的粒子,对盖尔曼的八重态方法予以了有力的支持.运用盖尔曼这一模型可以把已知的全部基本粒子归类,并且还给未发现的粒子预留了位置,其中包括磁单极子、引力子和中间玻色子. 4神奇奥妙的夸克模型的提出 1964年,盖尔曼在坂田模型和“八重法”的基础上,进一步提出了更复杂的模型.他认为强子并不是最基本的粒子,而是由更小的粒子组成.他于这一年的2月在欧洲《物理学快报》上发表了一篇论文,题为“重子和介子的一个简略模型”宣称:“如果允许我们设想重子与介子的强相互作用能借助‘强子八重态’正确地描绘出来,我们就得寻求这一状况的某些更基本的解释.”于是盖尔曼设想SU(3>基本表示的三重态应为3种夸克:上夸克u,下夸克d和奇异夸克子由3个夸克组成,介子由一个夸克和一个反夸克组成.夸克都是两两成对或三三成群,永远不可能单独地被观测到.它们之间的结合是靠交换胶子,胶子就相当于夸克间相互作用的量子,它们的作用和电磁相互作用中的光量子一样.夸克模型的提出,标志着现代物理学发展的一个重要里程碑.它不仅圆满地解释了八重法理论为什么能够成功地对粒子进行分类,给出了SU(3>对称性的物理基础,而且使奇异数和同位旋有了更深刻的意义,如一个粒子的奇异数就是包含在它内部的奇异夸克S的数目. 夸克理论后来因实验事实的不断补充而得到了长足的发展.如聚夸克c、底夸克b和顶夸克t的相继提出.每种夸克具有3种颜色的自由度.随着6种夸克的存在相继全部为实验所证实,现今物理学工作者已确信夸克和轻子层次是目前人类所达到的一个基本物理层次.这无疑又从另一个方面显示了盖尔曼夸克模型的重要地位. 此外,盖尔曼还从事了其他重要课题的研究,并在诸如色散关系、一矩阵理论、重正化群的理论和流代数理论等领域都作出了杰出的贡献.为量子色动力学、弱作用的唯象理论以及弱电统一理论等的创立和发展开辟了道路.与此同时,盖尔曼还对美国的教育、科学与宗教、科学和艺术、不断增长的人口问题以及日趋恶化的自然环境等方面都公开发表过自己独到的精辟见解. 5敏锐的直觉和独特的科研风格 盖尔曼不仅以各种卓越的贡献著称于世,而且还以他敏锐而深刻的物理直觉和“离经叛道”的科研风格令人叹为观止. 首先,盖尔曼擅长从语言艺术中吸取养分,用丰富的隐喻对物质世界进行思考,建立直觉联系,进而提出科学概念.例如,上文所述的基本粒子的分类方案—8重法,就是盖尔曼依据佛教关于8种正确的生活方式才能免遭痛苦的劝说而命名的.其原文是佛祖释迎牟尼的篇言:“兄弟们,世间有解脱苦难的真谛,即八正道”.又如,1964年盖尔曼在给组成强子的3种基本粒子取名字时,尽管他日思夜想,伤透了脑筋,但却一时难以找到一个合适的术语.后来在休息时,他随手翻阅了20世纪以来的怪诞百科全书,出乎意料地从伊朗作家詹姆斯·乔伊斯(JonnesJoyes)的长篇小说《芬尼根彻夜祭》中发现了“夸克”这个名词,小说中有这样一段诗句: “夸克……夸克……夸克…… 三五海鸟把脖子伸直, 一起冲着绅士马克. 除了三声‘夸克’, 马克一无所得; 除了冀求的目标, 全部都归马克.” 在这里,“夸克”是海鸥的叫声,而“夸克”的德文原意却是社会底层人物吃的带臭味的软乳酪.盖尔曼立即在“夸克”与“基本粒子”之间建立了直觉的联系,他顿悟到,他只需要3种不同的夸克子,就能利用它们的组合来构成所有已知的强子.基本粒子物理学中的3种夸克,其实质是完全相同的.只是由于不同的相互作用才使它们出现了一些差异,因而它们好比是同样的粒子穿着不同的服装.“夸克”的艺术喻意是同样的东西具有不同的颜色与味道,而这与夸克的物理性质相吻合!科学界认为这一语言上的突破就像“能量子”在物理学上的突破一样重要.1969年,盖尔曼获得了诺贝尔奖.当然,盖尔曼给这些粒子起了“夸克”这么奇隆的名字,也许与他厚实良好的语言学素养及其原本是一个鸟类爱好者不无关系. 第二,弗兰西斯·培根指出:“没有任何极致之美,在其结构中不会呈现任何奇异性.”如果按照这句话来评判盖尔曼提出的用于描述介子和超子新奇特性的量子数S,它就充斥着奇异美.另外,盖尔曼创立的“八重法理论”,完全相当于粒子物理学中的“周期表”,呈现出高度有序的对称性美.用盖尔曼自己的话来说,构造了“一个简单而优美的方案”.因此,盖尔曼被科学界尊称为“20世纪的门捷列夫”.我们也完全有理由认为,崇尚和执着地追求科学美—简单性、对称性和奇异性,是鼓舞盖尔曼进行科学探索的充沛源泉,几乎支配着他的全部工作.否则,盖尔曼不可能在坂田模型和“八重法”的基础上,进一步创立他的渗透着奇异美的“夸克模型”. 第三,盖尔曼有着一丝不苟、严谨治学的科研风格.他喜欢通过报告、讨论会和交谈与其他物理学家交流思想,而不轻易发表文章.之所以这样做,是因为他有一个与众不同的观念,就是他认为发表一个错误的观点对一个人的科学生涯将留下洗不掉的污点.他认为,一个理论学家的洞察力将由他所发表的正确观点数目减去错误的数目,甚至减去两倍的错误数目来衡量.因此,他发表论文总是慎之又慎,经常将他的观点推迟一年半载后才发表出来,甚至永不发表.如他的一些重要工作只是作为预印报告成为原始文献的.甚至在各年诺贝尔奖的纪念专刊中,至今还有一页空白—那是因为盖尔曼一直没有交出演讲稿而特意为他留下的. 由于盖尔曼的杰出的科学贡献,使他曾先后荣获了多种奖励和荣誉.除诺贝尔物理学奖之外,他分别于1959年、1966年、1967年和1968年先后获得了美国物理学会的丹尼·海涅曼(DannieHeineman)奖、美国原子能委员会颁发的E.U.劳伦斯物理学奖、费城富兰克林学院的富兰克林奖章以及美国科学院的J.J卡蒂奖章.他是美国科学院院士,并是美国文理科学院的成员.他曾在尼克松总统科学顾问委员会工作过.他还是伦敦皇家学会的外籍成员以及法国物理学会的荣誉成员.他还被许多大学授予荣誉科学博士. 作为“夸克之父”的盖尔曼,现已进入古稀之年—75岁高龄.但他仍在粒子物理学界傲视群雄.他的几句至理名言,道出了科学和传奇以及生活本身的困惑,而这也恰恰是贯穿本文的一条主线: “在我们的工作中,我们总是处于进退两难的窘境之中;我们可能会不够抽象,并错失了重要的物理学;我们也可能过于抽象,结果把我们模型中假想的目标变成了吞噬我们的真实的怪物.”

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