2004诺贝尔奖评述:夸克世界的多彩发现

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http://www.sina.com.cn 2004年10月13日 09:48 科学网
本报记者 赵 路
诺贝尔物理学奖评委会认为,今年获奖的三位科学家发现的“渐近自由”现象,不仅深刻 地改变了人们对自然界基本作用力作用方式的理解,为量子色动力学理论奠定了基础,完善了粒子物理学标准模型,而且也让科学家向实现对自然界四种力进行统一 描述的宏大梦想更进了一步,最终将形成一种涵盖包括万有引力在内的解释一切物理现象的理论体系。
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人体的最小粒子
美国物理学家盖尔曼、兹维格在1963年提出了物质组成的新理论,主张当时所认知构成物质的最小粒子中子、质子等,是由更基本的粒子“夸克”所构成的,也就是说夸克是物质世界,包括人类自身的最小构成元素。
然而当人们试图打开质子或者中子时,却从未发现单个的、自由的夸克,只有两个或3个 夸克的集合体才能处于自由状态,通常情况下夸克总是被约束在质子和中子内部。这是目前科学研究无法完全解释的问题。了解夸克之间的相互作用力的性质,就有 可能得到单个的自由夸克,从而解决这一难题。
中国科学院理论物理研究所研究员吴岳良向记者介绍,1973年,格罗斯、波利策和维 尔切克提出的“渐近自由”理论,为此提供了解释。这3位科学家先后在《物理评论快报》上发表文章,用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。他们的发现表面上 看起来是完全矛盾的,在夸克之间距离很近的时候,相互作用会变弱,这跟宏观的相互吸引力是完全不同的。三位科学家在上个世纪70年代提出的理论认为,强作 用力会随着夸克彼此间距离的增加而增大,因此没有夸克可以从原子核中向外迁移,获得真正的自由。这些夸克会永久地被结合在一起,因此不可能找到单个的夸 克。同样根据“渐近自由”理论,强作用力会随着夸克间距离的变小而减弱,这意味着,约束在质子等内部的夸克在彼此距离足够小时将近乎自由地进行运动。
标准模型的基石
这三位科学家发现的夸克渐近自由现象,为一个全新的理论——量子色动力学——的诞生 奠定了基础。量子色动力学描述夸克间的相互作用。量子色动力学认为,与电子带有电荷类似,夸克和胶子(一种传递强作用力的基本粒子)带有色荷,基于色荷的 色力或者强作用力,具有比电磁力更为复杂的作用方式和更为奇特的现象,“渐近自由”就是一个明显例子。
中国科学院高能物理研究所研究员常哲告诉记者,夸克渐近自由现象的发现,确立了粒子 物理的标准模型。非阿贝尔规范场的渐近自由性质使得物理学家可以对自然界各种作用力有一个统一的描述方式。标准模型描述了目前为止发现的与强相互作用力、 电磁相互作用力、弱相互作用力有关的所有物理现象。通过科学家的不断努力,标准模型已经具备了坚实的理论与实验支持,它是惟一一种能够兼顾现代物理学的两 大支柱——爱因斯坦相对论和量子力学的理论模式。由于格罗斯、波利策、维尔切克的发现,物理学家更接近了一个伟大梦想——为强相互作用力、电磁相互作用 力、弱相互作用力、万有引力构建一个统一的理论,一个适用于所有物质的理论。
通过了解夸克间相互作用力的性质,就有可能找到打开自由夸克的办法。如果能够合理利 用夸克内部的强作用能,那么人类就有可能获得比核能还要大得多的能量,相关研究将有很大的应用潜力。吴岳良指出,当我们打开物质的每一个层次的时候,都有 很大的应用。例如从分子到原子,从原子到原子核。特别是原子核,我们可以利用核能,那么假如我们能够把自由夸克打开,知道在什么能量之下我们能够看到这个 自由夸克,我们就可以合理地利用夸克里面的强作用能,而那个能量比我们的核能可能还要大得多。如果有一天,我们能够充分认识基本粒子及其相互之间的作用力 并掌握和利用“粒子能”,那么这种利用的效果将是空前的。同时利用粒子物理还可以进行有关宇宙学的研究,探寻宇宙早期的演化。宇宙刚刚形成的瞬间,只是以 基本粒子的状态存在,研究夸克等基本粒子,将可以帮助科学家回溯宇宙的初始阶段,从而了解宇宙由过去到现在的演化历程。
路漫漫其修远兮
这三位科学家的发现早已成为粒子物理研究的基石之一,然而这30年后 的诺贝尔奖是否有些姗姗来迟呢?常哲认为,对于这一问题,诺贝尔奖得主杨振宁曾经说过,诺贝尔奖是可遇而不可求的。基础研究必然要经过一个艰辛的过程。长 期的投入,以及整体研究水平的提高才是获奖的前提,真正的科学是经得起时间的考验与推敲的。一项科学研究的价值往往要经过漫长的道路才能被透彻地认识,也 只有这样才能够得到大众的认可,做学问切忌急功近利。他说,这三位科学家都是拼命工作的人,心里想的只是如何解决一个又一个的科学问题,并以此为乐,没有 浮躁,没有杂念,做这件工作的时候不会想到能否得奖,当然是金子就会发光。
长期以来,我国科学家在粒子物理领域发现了一系列有意义的现象,做出了多项世界一流 水平的研究成果,引起了国际同行的浓厚兴趣,推动了夸克理论的进一步进展。国际粒子物理界权威文献《粒子物理评论》收录的90年代以来的共113项粲夸克 偶素物理方面的粒子数据中,我国的实验数据就占了74项,占世界数据总量的65%。其中20多项数据是国际上首次报道的,相当一 部分测量达到了世界最高精度。可以说我国在这个能区的研究水平是世界第一。
据吴岳良介绍,目前,粒子物理标准模型虽然已经取得了很大的成功,尤其规范相互作用 部分得到了越来越精确的实验验证,但是粒子物理学家相信标准模型不可能是一个最基本的理论。因为模型中关于对称破缺和夸克禁闭(夸克被“囚禁”起来形成强 子,在实验中无法观测到自由夸克的存在)的基本问题仍然是一个悬而未决的谜,并且涉及到18个未知参数,它们的起源也仍然不清楚。在这些方面的任何实质性 突破都能够成为“原始创新”和“国际领先”的研究成果。
戴维·格罗斯
国籍:美国
出生:1941年
学位:1966年 美国加州大学伯克利分校物理学博士
获得时间和地点:1973年,美国普林斯顿大学
获奖年龄:63岁
现任职地点:加州大学圣巴巴拉分校卡夫利理论物理研究所
戴维·波利策
国籍:美国
出生:1949年
学位:1974年 哈佛大学物理学博士
获得成果时间和地点:1973年,哈佛大学
获得年龄:55岁
现任职地点:加州理工学院
弗兰克·维尔切克
国籍:美国
出生:1951年
学位:1974年 美国普林斯顿大学物理学博士
获得成果时间和地点:1973年,美国普林斯顿大学
获奖年龄:53岁
现任职地点:美国麻省理工学院