層子模型

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層子模型是中國粒子物理理論工作者1966年提出的相對論性的強子結構模型。模型依據「無限可分」思想,認為強子內部由「層子」(即夸克)構成,使用強子內部結構波函數及其重疊積分來描述強子的結構和轉化過程。

背景

20世紀中期是粒子物理學強子(包括介子重子)結構理論迅速發展的時期。1949年,恩里科·費米楊振寧提出π介子是由核子(包括質子中子)與反核子組成的假說,即費米-楊模型。1956年,坂田昌一提出坂田模型,該模型認為強子由三種粒子:質子中子Λ粒子構成。坂田模型可以有效處理介子,但難以處理重子。1961年,默里·蓋爾曼提出SU(3)對稱性八重法強子分類方案。1964年,蓋爾曼根據八重法預言的Ω粒子被發現,同年,蓋爾曼提出強子為複合粒子,由具有SU(3)對稱性的夸克構成,即靜態夸克模型。夸克模型提出之初,多數理論物理學家不相信夸克的存在,當時風行一時的S矩陣理論也不支持夸克。而蓋爾曼在夸克模型提出之初將夸克看作數學符號。[1]:89

1964年周培源(中)陪同毛澤東(左)接見北京科學討論會日本代表團團長坂田昌一(右)

1963年,中國科學院哲學研究所主辦的《自然辯證法研究通訊》從俄文轉譯刊登坂田昌一的一篇文章。文章關於基本粒子結構的思想,遵循恩格斯觀點「分子、原子不過是物質分割的無窮系列中的各個關節點」和列寧觀點「電子也是不可窮盡的」。[2]:63毛澤東注意到這篇文章,多次稱讚此文,並與哲學工作者和科學工作者談論他的物質無限可分等思想。[註 1]1965年6月1日,《紅旗》雜誌從日文原文重新翻譯刊登坂田昌一文章,並在編者按中強調「世界是無限的」、「世界是充滿着矛盾的」、「物質是無限可分的」、「人類對自然界的認識同樣是無窮無盡的」等毛澤東的論斷。[7]:52[註 2]經過熱烈討論,[註 3]物質無限可分思想被中國學者普遍接受。[2]:63[註 4]

歷史

一次基本粒子理論研究座談會
「理論組」在研討層子模型理論
汪容代表北京基本粒子理論組,在北京物理討論會全體會議上作題為《在毛澤東思想光輝照耀下研究基本粒子理論》的學術報告

中華人民共和國成立前後,留學歐洲、美國學習和研究理論物理的張宗燧彭桓武胡寧朱洪元等學者相繼回國。[1]:861956年12月,中共中央國務院批准《1956-1967年科學技術發展遠景規劃綱要》,場論和量子力學的基礎的研究被列入57項重點研究任務中第56項「自然科學中若干基本理論問題的研究」,原子核與基本粒子物理學被列入物理學發展的重點。[1]:88[註 5]

1960年代初,朱洪元、胡寧、張宗燧分別在中國科學院原子能研究所北京大學中國科學院數學研究所帶其學生、助手研究基本粒子理論,他們之間學術交流密切,組織了一個「基本粒子討論班」。[2]:63為籌備北京科學討論會一九六六年暑期物理討論會(簡稱「北京物理討論會」),1965年6月,中國物理學會確定由朱洪元、胡寧、汪容負責,採取集體合作方式,準備基本粒子方面的報告內容。[1]:94時任中國科學院原子能研究所所長錢三強受託組織,由中國科學院原子能研究所基本粒子理論組、北京大學理論物理研究室基本粒子理論組、中國科學院數學研究所理論物理研究室、中國科學技術大學近代物理系理論組四個單位聯合組成「北京基本粒子理論組」(以下簡稱「理論組」)。[2]:63四個單位分別召開學術討論會,每星期至少召開一次全體報告會交流研究工作。「理論組」成立不久,朱洪元決定將研究方向轉向強子結構。[1]:96一年之內,「理論組」共發表42篇研究論文(不包括綜述),提出了關於強子結構的理論模型。[2]:65

北京基本粒子理論組成員名單[10]:423
帶頭人 單位 成員
朱洪元 原子能所 張肇西陳時何祚庥冼鼎昌、黃厚昌(黃濤)、鞠長勝李炳安阮圖南阮同澤杜東生汪容徐德之楊祥聰郁鴻源周榮裕
中科大 劉耀陽趙保恆周邦融
胡寧 北大 趙志詠趙光達陳激高崇壽黃朝商劉連壽錢治碇秦旦華宋行長楊國楨
張宗燧 數學所 安瑛趙萬雲陳庭金朱重遠戴元本侯伯宇胡詩婉周龍驤

「理論組」文章將組成強子的粒子稱為「夸克」、「亞基本粒子」、「元強子」、「基礎粒子」等。1966年初的北京物理討論會預備會議上,錢三強提議統一名稱,會議一致決定命名為「層子」,以反映「層子」也只是物質結構無限層次中的一個層次。[註 6]此後「理論組」提出的強子結構理論即統稱「層子模型」理論。[2]:65 學術報告《在毛澤東思想光輝照耀下研究基本粒子理論》是1966年7月召開的北京物理討論會的三篇重點論文之一。[1]:104 北京物理討論會的基本粒子分組會議上,各國代表討論了該報告和「理論組」宣讀的三篇層子模型論文,大部分代表支持中國的基本粒子研究方法。[1]:101[註 7]

本擬北京物理討論會後以英文發表層子模型理論的計算結果,受文化大革命影響,中國大多數科研活動停止、學術期刊停刊,計劃擱淺。[1]:105文革期間,層子模型研究有零星進展。[1]:107[註 8]同一時期,國際上粒子物理學研究取得重大進展,最終建立了包含弱電統一理論量子色動力學和夸克等基本粒子在內的標準模型[1]:108

1976年文革結束後,中國的粒子物理理論研究逐漸恢復,錢三強、周培源等組織召開多次粒子物理會議。[1]:108[註 9]1980年1月,在廣州召開世界華裔物理學家參加的廣州粒子物理理論討論會。朱洪元做題為《關於層子模型的回憶》的報告,系統總結層子模型計算結果,引起與會人員重視。[1]:109[註 10]李政道提議將層子模型的論文重新整理為英文,得到與會人員贊同,但沒有實行。會議後,朱洪元、宋行長、朱重遠合作撰寫了《層子模型的回顧與展望》[16][1]:110隨着量子色動力學成為公認的描述強相互作用的正確理論,層子模型淡出了中國粒子物理學界。[1]:111

1982年,「理論組」的39人因層子模型的貢獻獲國家自然科學獎二等獎,主要獲獎人為朱洪元、胡寧、何祚庥、戴元本。[17][18]「理論組」成員中,張宗燧、朱洪元、胡寧、戴元本、何祚庥、冼鼎昌、趙光達、楊國楨、張肇西九人先後當選中國科學院院士,其他人後來多成為各方粒子物理研究的學術帶頭人。[2]:66

內容

層子模型的基本物理假定是:一、強子由層子構成,層子滿足一定的對稱性。二、強子是層子通過強相互作用結合成的束縛態,可用相對論協變的波函數描述。在不清楚層子動力學性質時,可半唯象地引入波函數。三、強子參與的相互作用可歸結為構成強子的相應層子所參與的相互作用。[19]

當時認為「層子」服從綜合統計費米統計,劉耀陽引入後來被稱為「顏色」的量子數,解決了「層子」與費米統計之間的矛盾。[20][註 11]原子能所把原子核研究中處理束縛態的場論方法做相對論推廣,構造了一個關於介子的SU(6)模型後,用同種方法求出靜止狀態重子的SU(6)對稱的波函數。又對這些波函數做相對論性改進,從而解釋強子的SŨ(12)對稱性。[2]:64原子能所使用波函數進行了一些計算並與實驗數據比對,絕大部分符合得很好,於是朱洪元將其改寫為Bethe-Salpeter方程(當時量子場論框架下唯一的描述束縛態的相對論性方程)的協變形式。北大的研究者把SU(6)SŨ(12)對稱的波函數寫成簡潔形式。數學所的戴元本等人將其改寫成協變場論形式,並寫出用於計算的一些S矩陣元費曼規則[2]:65通過強子內部結構波函數及波函數的重疊積分統一解釋強子的電磁性質、電磁躍遷過程和弱相互作用過程的層子模型於是完成。

按照層子模型,介子波函數可寫為:,重子波函數可寫為:。其中是層子場,是強子自旋在動量方向上的投影。[21]

評價

在中國學術界,「層子模型工作幾乎是盡人皆知,而對其價值評定,卻是眾說紛紜,褒貶不一。」褒揚者認為「是強子結構研究的重要開拓」(李炳安、冼鼎昌),已「非常接近最後的結果」(何祚庥),也有人認為層子模型對物理學沒有積極意義(關洪),沒有標誌性成果(李華鍾)。[2]:66

  • 「理論組」成員中,何祚庥認為:「用相對論協變形式的夸克模型,一直到1968年才有和我們相仿的工作,而且其具體結果還沒有層子模型來得自然和合理。」並認為無限可分思想幫助了科學研究。[13]:58黃濤認為:建立「相對論協變的層子模型這項工作,大大提高了中國粒子物理工作者的科學水平。層子模型理論優於當時國際上非相對論夸克模型,國際上相對論夸克模型文章發表是在此後的1-2年。」「北京基本粒子組率領不同單位的一大批青年研究隊伍合作攻關的創新精神,非常值得稱讚和傳承,這在中國物理學史上也是少見的。」[14] 劉耀陽認為:「層子模型遇到重層子和束縛態個頭大以及相對論性束縛態理論等難題,但明確宣布層子是真實的存在就完全體現它的價值。」[22]冼鼎昌認為:「『層子模型』是強子結構研究的一個重要開拓,它是在層子之間的動力學理論提出來之前的一個方向性的系統工作。這個理論中提出的強子內部結構波函數和波函數的重疊積分的概念沿用至今,隨着層子間強相互作用的動力學理論的建立,它們越來越細緻地被確定下來。」[12]
  • 中國1970年代的非阿貝爾規範場論研究[註 12]倡導者李華鍾:「當時國內研究層子模型的主導仍然意圖在發展低能束縛的動力模型。層子模型未能和非亞貝爾規範場理論的結合,沒有正確的動力學互作用機制,雖有創新的動機開始卻未能達成公認標誌性的成果,到目前為止,夸克動力學模型的紅外行為,夸克結合成強子的動力模型,仍是懸而未解的問題。」李華鍾認為,為了物質無限可分的哲學信仰,以「半唯象的方式尋求層子低能束縛態,是一種別無其他現成方法的選擇」。而1967年弱電統一理論出現、1973年漸進自由發現後,中國粒子物理學家仍不重視規範場論,則是因「過分強調哲學信仰」而錯失機會。「探索過程中的得失是科學研究的常事,層子模型研究雖未成功,研究的精神和經驗教訓是建國以來學術研究寶貴的財富,從今天的學術環境回顧層子模型[,]可以說它體現了一種樸素的學風,一種值得推崇的創新意識和團隊精神。同時,也告誡人們信仰和哲學不可以代替物理和物理思想」。[24]
  • 胡寧1960年代的研究生關洪:「當時在大家都不清楚怎樣恰當處理束縛態場論的情況下,層子模型做出了有自己特色的探索,取得了一定程度的可喜成果,不失為一種有積極意義的嘗試。層子模型的道路最終沒能走通,這在科學研究中也是常事。」[25]:102「除了層子是夸克的另一種說法之外,層子模型並沒有給今天的物理學留下什麼有積極意義的東西。」[25]:103
  • 中國科學技術大學副研究館員丁兆君、中國科學技術大學人文與社會科學學院教授胡化凱:1960年代,「夸克模型只限於討論由對稱性能夠得出的強子分類、新粒子預言和粒子的質量、自旋、電荷、磁矩等靜態性質;而層子模型不但考慮了對稱性,還考慮了強子的高速運動,包含層子動力學的某些信息,是相對論協變的,這些都是其勝於夸克模型之處。」「它在理論上和方法上都有創新,研究結果得到了國際同行的認可和好評,是當時我國粒子物理理論研究領域取得的一項重要創新性成果。」[2]:66
  • 中國科學院自然科學史研究所副研究員劉金岩:未能以英文正式發表層子模型的計算結果,導致層子模型未對粒子物理學發展產生中國粒子物理學家預期的影響。[1]:85[註 13]「層子模型順應了當時粒子物理學的發展趨勢。國際主流視強子為點粒子之際,中國物理學家思考粒子物理發展方向,從認為強子內部有物理實體的觀點出發,借鑑核物理和量子場論方法,繞過求解束縛態場論方程,引入強子內部結構波函數和層子波函數的重疊積分等概念,給出一套計算S矩陣元的近似方法。他們系統研究了強子的電磁和弱衰變過程,所取得的部分理論計算結果吻合當時的實驗結果,在當時處於理論前沿。」[1]:115「1960年代和1970年代,中國物理學家既致力於追求真理,又能適應特定的政治、意識形態、外交要求。唯物辯證法和毛澤東的物質無限可分思想對中國粒子物理研究產生了重要影響。為1966年暑期物理討論會所做的學術準備直接導致了層子模型的誕生。」[1]:116「參與模型計算的青年研究者朝氣蓬勃,敢於接受或提出新想法,在模型研究中提升了研究能力。改革開放時期,他們和他們更年輕的同伴融入國際粒子物理學界,在理論和實驗研究中均有成就。」[1]:116

注釋

  1. ^ 1955年1月15日,毛澤東主持召開中共中央書記處擴大會議,聽取錢三強等匯報,會議做出發展原子能事業的戰略決策。[3]據錢三強稱,毛澤東在會議上詢問質子、中子組成,錢三強說,根據目前研究,質子、中子是基本粒子,是不可再分的。毛澤東說:「我看不見得。從哲學的觀點看來,物質是無限可分的。質子、中子、電子,也應該是可分的。一分為二,對立統一嘛! 不過,現在實驗條件不具備,將來會證明是可分的。你們信不信?你們不信,反正我信。」[4]1964年8月18日,毛澤東召集康生陳伯達吳江關鋒龔育之等談哲學問題,認為時空是無限的,物質是無限可分的,「很欣賞《自然辯證法研究通訊》上坂田昌一的文章,以前沒有看到這樣的文章,他是辯證唯物主義者,引了列寧的話。」[5]:3898月23日,毛澤東會見北京科學討論會各國代表,同坂田昌一握手說讀過他的文章。[5]:395于光遠稱,毛澤東當時對坂田說:「你的文章很好,我讀過了」。[6]次日,毛澤東找于光遠和周培源到住所談話,他從坂田的文章談起,談了他對自然辨證法的一些見解,[7]:51認為宇宙是無限的、人類對宇宙的認識是無限的、物質是無限可分的。[5]:395于光遠、龔育之等於是找人將坂田昌一文章重新譯出,譯者為張志賢,請慶承瑞柳樹滋作注釋,並根據毛澤東幾次談話起草了編者按。[7]:51
  2. ^ 5月31日,《人民日報》提前一天轉載該譯稿及注釋。日本共產黨中央機關報《赤旗報》報道並轉載了「編者按」,摘要刊登坂田文章。[7]:52
  3. ^ 1965年5月12日和6月17日,《紅旗》編輯部哲學組和中國科學院哲學研究所自然辯證法組邀請北京部分物理學者和哲學學者兩次座談,討論自覺運用辯證唯物主義研究物理學。中國科學院原子能研究所、中國科學技術大學、北京大學物理系和技術物理系等單位也組織了討論。7月3日,北京自然辯證法學會籌委會舉辦報告會,600多自然科學工作者、哲學工作者參加,由朱洪元介紹坂田昌一文章相關問題。幾次座談會的發言先後發表在《紅旗》和《光明日報》。[7]:52
  4. ^ 署名為張文裕朱洪元汪容杜遠才何祚庥吳宗藩,發表於《原子能》雜誌1966年第1期的文章《「基本粒子」物理學的發展與展望》,總結粒子物理學史,認為物理學史上有三次大突破,而「在第四次大突破中就將要進一步揭露屬於『基本粒子』領域的更深入一層的矛盾,發現『基本粒子』內部的結構和它們相互轉化和相互作用的規律性。」[8]這篇文章的同名初稿發表於《科學通報》1965年第8期,署名為張文裕、朱洪元、汪容。[9]
  5. ^ 關於中國當時支持粒子物理學發展的原因,張文裕說:「五十年代初,蘇、美、歐等少數工業發達的國家已開始大力籌建高能加速器。……我國在當時則是毫無條件可言,但鑑於他的技術及應用可能與核工業有關,也確認了要開展高能物理的研究。」[10]:425
  6. ^ 李華鍾、冼鼎昌編寫的中國粒子物理學家詩抄中關於冼鼎昌一首詩的「背景說明」稱,「層子」一詞是錢三強提議的。[11]冼鼎昌[12]、何祚庥[13]:57說法相同。黃濤則說是「反覆討論後由錢三強拍板命名為層子」。[14]而劉金岩根據對戴元本的訪談寫道,「層子」是冼鼎昌建議的命名。[1]:101
  7. ^ 名古屋大學教授早川幸男(李炳安稱早川幸男是日本代表團團長,被丁兆君、胡化凱採信。[2]:65據當時《人民日報》報道,日本代表團團長是野上茂吉郎[15])認為:「中國的研究工作絕不是日本的一部分報紙、周刊雜誌所中傷的那樣的沒有內容的工作,而是內容很充實的高水平的研究。」早川幸男認為,層子模型的工作比日本學者的工作更細緻和系統,中國青年研究者的工作,精神上與日本朝永振一郎一代人同時代。日本代表團團長野上茂吉郎同錢三強等見面時說:「日本過去做了不少工作,但是沒有鑽下去,這次看來你們走在前面了。……日本理論物理學青年工作者有兩個毛病:一是迷信美國,凡是美國物理雜誌有的,就認為行、就作,自己獨創很少。二是只信實驗,實驗沒有證明的就不敢去想。中國的工作方向、方法正是日本青年學者所沒有的。」日本代表團在會議閉幕後同中國粒子物理學家舉行三天交流會討論層子模型,返日後向同事詳細介紹了層子模型具體內容。[1]:112
  8. ^ 1972年8月,張文裕、朱洪元、汪容、何祚庥等18位粒子物理學家聯名寫信給中華人民共和國國務院總理周恩來,呼籲重視高能物理研究。周恩來覆信指出:「高能物理研究和高能加速器的預製研究,應該成為科學院要抓的主要項目之一。」其後《物理》、《科學通報》、《物理學報》等學術期刊相繼復刊,在原子能研究所一部的基礎上成立中國科學院高能物理研究所,層子模型後繼成果得以發表。[1]:106
  9. ^ 1978年8月,在江西廬山召開文革後首次中國物理學會年會,周培源在開幕式講話說:「在『文化大革命』前短短十七年中,我國理論物理有兩大貢獻:一是完全獨立地掌握了製造原子彈和氫彈的理論;二是提出了強子結構的層子模型。」[1]:109
  10. ^ 李政道說該報告「很重要、是具有歷史意義的回憶。」美國休斯敦大學助理教授胡斑比說:「『層子模型』在當時確實是一個很有意義的工作。……六十年代西方在粒子物理方面的思想比較亂,有忽視物理內容,只注重數學形式的傾向。在這個時候中國強調基本粒子還有結構,宣傳坂田模型,後來又提出層子模型,重新強調要有物理思想,這確實是有指導意義的。」他還認為用物質無限可分思想指導粒子物理研究的方向是對的。[1]:109哈佛大學賴曼物理實驗室胡比樂認為:「不能將層子模型完全等同於夸克模型,夸克剛提出來時並不是作為物質的一個層次,僅僅是數學上的處理方法。把夸克作為比基本粒子更深一層的粒子是後來的事情,具體說是在層子模型提出來之後,所以層子模型比夸克模型進了一步。」[1]:110
  11. ^ 1966年2月7日完成,發表於《原子能》1966年第3期(江向東認為是「世界上第一篇意義明確的帶色夸克模型的論文」),明確引入後來被稱為「顏色」的新量子數,解決了「層子」與費米統計的矛盾。這一成果並未在北京物理討論會上被明確提及。[20]
  12. ^ 楊振寧羅伯特·米爾斯於1954年提出楊-米爾斯理論(一種非阿貝爾規範場論),成為弱電統一理論量子色動力學的基礎。中美關係局部解凍後,楊振寧多次回中國做關於規範場論研究的學術報告(1972年在北京,1973年在廣州,1974年在上海),吸引了一批學者從事相關研究。[23]
  13. ^ 阿卜杜勒·薩拉姆參加北京物理討論會並做了報告。何祚庥撰文稱,薩拉姆對周恩來高度評價層子模型說:「這是第一流的科學工作。」[13]:581972年9月初,薩拉姆再次訪華並做關於粒子物理的報告。報告結束後,他同張文裕、汪容、何祚庥、戴元本等20多位物理學家座談,過程中多次稱讚層子模型工作並關心研究進展。[1]:114謝爾登·格拉肖曾強調物理學家剝洋蔥般一層一層地深入物質結構,總能找到更基本的組成部分。「夸克和輕子是否都有共同的更基本的組成部分呢?許多中國物理學家一直是維護這種觀念的。」他提議將「構成物質的所有這些假設的組成部分」命名為「毛粒子」。[26]史蒂文·溫伯格曾提到:「北京的理論物理學家小組長期以來一直偏愛某個夸克理論,但他們卻稱之為『層子』,而非夸克,因為這些粒子比尋常強子代表着更深層的現實。」[2]:66阿卜杜勒·薩拉姆史蒂文·溫伯格謝爾登·格拉肖三人因對基本粒子弱相互作用電磁相互作用的統一理論(弱電統一理論)的貢獻,共同獲得1979年諾貝爾物理學獎

參考

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