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一英國物理學家,提出了質子和中子是由三個夸克組成的,並因此獲得了諾貝爾物理學獎。默里·蓋爾曼(MurrayGeli—Mann)1929年9月15日出生於紐約的一個猶太家庭里。童年時就對科學有濃厚興趣,少年才俊,14歲從進人耶魯大學,1948年獲學士學位,繼轉麻省理工學院,三年後獲博士學位,年僅22歲。1951年蓋爾曼到普林斯頓大學高等研究所工作。1953年到芝加哥大學當講師.參加到以費米為核心的研究集體之中,1955年蓋爾曼到加州理工學院當理論物理學副教授,年後升正教授,成為加州理工學院最年輕的終身教授。

1 默里·蓋爾曼 -簡介

從神童到諾貝爾物理獎得主

人們說他有「五個大腦」,遺傳運演算法則創始人約翰·荷蘭(麥克阿瑟天才獎獲得者)稱他是「真正的天才」,1

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977年諾貝爾物理學獎獲得者菲利普·安德森曾評價他「現存的在廣泛的領域裡擁有最深刻學問的人」,1979年諾貝爾物理獎獲得者斯蒂文·溫伯格說他「從考古到仙人掌再到非洲約魯巴人的傳說再到發酵學,他懂得都比你多」。

默里·蓋爾曼1929年生於紐約的一個猶太家庭,父親曾就讀於維也納大學和海德堡大學,移民美國后管理著一個語言學校,「他是來自解體前的奧匈帝國的移民,但說著無可挑剔的英語,並在語言上也這樣苛求我」,蓋爾曼後來回憶到。就在他出生前幾周,美國大蕭條時期降臨,所以童年時他的家庭一直很拮据。童年的蓋爾曼興趣十分廣泛,很早就成為街區里有名的神童——他的同學認為他是「會走路的大百科全書」。到14歲時,他考慮申請到耶魯大學,父親問他想學什麼,「我回答說『只要跟考古或語言學相關就好,要不然就是自然史或勘探』,父親的第一反應是『你會餓死的』」。時值1944年,戰爭時期的美國經濟狀況並不理想,他的父親強烈建議他學「工程」,然而諷刺的是,在

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經過能力測試后蓋爾曼被認為適合學習「除了『工程』以外的一切學科」。於是他父親建議:「我們幹嗎不折中一下,學物理呢?」正是這個「意外事件」造就了後來的夸克理論提出者、1969年諾貝爾物理學獎獲得者和「統治基本粒子領域20年的皇帝」(格拉肖語)。

從耶魯大學畢業后,不到22歲的蓋爾曼在麻省理工學院獲得博士學位,隨後被「原子彈之父」奧本海默帶到愛因斯坦時代的普林斯頓高等研究所做博士后,期間曾在費米領導的芝加哥大學物理系授課並被提升為副教授。1955年蓋爾曼在博士后研究結束後由於「奇異數」的發現曾有機會去芝加哥大學任教,「可惜費米前一年死了」,也曾想去丹麥的波爾研究所,「可惜他們沒有博士后制度而只讓我做教師或學生」,所以最好的選擇是去加州理工學院,「那裡有費曼」。就這樣,蓋爾曼不到26歲就成為加州理工學院最年輕的終身教授。

從蓋爾曼的奇異數發現到獲得諾貝爾物理學獎,他的歷程可以用漸入佳境來形容:24歲發現了基本粒子的一個新量子數——奇異數,28歲建立了正確描述弱相互作用的V-A理論,32歲提出了強子分類的八正法(相當於介子和重子的門捷列夫周期表),35歲創立了夸克模型(quark),40歲榮獲諾貝爾物理學獎。這些重大理論突破中的每一項也曾由別人獨立地提出過,但只有蓋爾曼一人對所有發現都有原創性的貢獻。其中夸克模型(預言中子、質子這類亞原子粒子是由更基本的單元——夸克組成的。「夸克」是構成宇宙中幾乎一切物質的亞微粒子)是與G.茨威格各自獨立提出的。「夸克」這一名字是蓋爾曼所取,來自他少年時讀過的詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的蘇醒》(Finnegan\'sWake)中的詩句。

2 默里·蓋爾曼 -詳細

縱觀粒子物理學的百年發展史,可謂群星璀璨,英才輩出。默里·蓋爾曼就是其中極富傳奇色彩的人物之一,曾

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經主宰粒子物理的走向長達十餘年。這位天才的理論家,他24歲發現了基本粒子的一個新量子數——奇異數,32歲提出了強子分類的八正法(相當於介子和重子的門捷列夫周期表),35歲創立了夸克模型,4O歲榮獲諾貝爾物理學獎。蓋爾曼深邃的洞察力與旺盛的創造力使同時代的許多物理學家黯然失色。他對基本粒子物理學的重要貢獻極大地加深了人類對微觀世界的了解。

蓋爾曼作為一位理論物理學家第一次單獨開展研究的是:怎樣解釋不按物理學家預料的方式運動的某些怪異的宇宙射線。50年代前,質量處於質子和電子間的介子不斷被發現,再後來又發現了超子。這些奇異粒子的奇異性表現在:產生的快,消失得慢,有些介子的壽命比當時得到公認的理論所預言要長得多;並且成對出現。蓋爾曼下功夫理出頭緒來,他把奇異粒子按電荷、同位旋進行整理,發現通常費米子的同位旋為1/2,如核子具有二重態:中子和質子。而同為費米子的超子Σ的同位旋是1,呈現三重態,而不是雙重態,並且可帶正電、負電,或者不帶電。這樣的同位旋值對費米子而言是奇異的,這正是問題的關鍵所在。同樣對第二種奇異粒子,即中等質量的K介子,是兀介子的同類粒子。但是K介子也不像其他的正常的玻色子一樣呈三重態,而是雙重態,同位旋是1/2。因此,蓋爾曼認為應再給予粒子一個新量子數稱之為奇異數。不同的粒子具有不同的奇異數,例如,0,土1,土2,⋯⋯。他還提出奇異數守恆定律,這個定律是說在描述強相互作用或電磁相互作用時,方程兩側總的奇異數必須守恆。奇異數守恆定律為後來1955年蓋爾曼提出的協同產生理論提供了重要的理論基礎。所謂的協同產生理論認為,由強力產生的奇異粒子只能同時成對地產生。當這些成對的粒子離開它的對手時,通過強相互作用衰變所需的能量就會超過原先產生它們所投入的能量,因此只好經弱相互作用衰變,從而獲得了更長的壽命,於是這一模型理論對長壽命作出了解釋。奇異數在弱相互作用衰變時不守恆。

默里·蓋爾曼「八正法」:夸克圖

1961年蓋爾曼在奇異數守恆定律的基礎上,又提出了SU(3)對稱性。對強相互作用的粒子進一步作出分類。效彷彿教的「八正道」(即正見、正思維、正語、正業、正命、正精進、正念、正定),1962年蓋爾曼和以色列物理學家內曼(Y.Neemann)獨立地提出了「八正法」的分類方法。他們假設,八個質量最小的重子);兩個核子、三個Σ超子,兩個E超子及一個∧超子,構成一個「超多重態」。這八個重子,自旋都是1/2,宇稱均為正值,質量相近。只是電荷不同、同位旋不同、奇異數不同。因此可以畫一個超荷Y和同位旋分量I3的坐標圖,二重態、三重態和單態可以排成一個整齊的六邊形列陣。(如圖1)

默里·蓋爾曼默里·蓋爾曼


蓋爾曼打算用八正方法把所有新的粒子和新的量子數都綜合進來。按照這一方法,還可以把當時已知的九個重子共振態排列成對稱的圖形。從這張圖形的對稱性考慮,似乎缺少了一個粒子,這個粒子的特性可以從圖形的對稱性推出。1962年蓋爾曼在歐洲核予研究中心的會議上提出這個失蹤的粒子應該具有電荷為一1,奇異數為一3,質量為1680兆電子伏,自旋為3/2,字稱為正值。1964年果然發現了Ω粒子正是這個失蹤的粒子。(如圖2),這樣就對蓋爾曼的八正方法作出了有力的支持。

默里·蓋爾曼六種味夸克-內部結構模型圖

1964年蓋爾曼進一步提出了強子的夸克模型。SU(3)對稱性的八重態似乎暗示由更基礎的三重態構成。他認為質子之類的粒子是由更基本的夸克組成。夸克與所有已知的亞原子粒子不同,它們帶有分數電荷,例如:+2/3或一1/3。夸克都是兩兩成對、或三三成群,永遠不可能單獨地被觀測到。它們之間的結合是靠交換膠子。這就是著名的夸克模型。膠子就相當於夸克間相互作用的量子。它們的作用和電磁相互作用中的光量子一樣。蓋爾曼提出有三種夸克:兩種同位旋為1/2,另一種同位旋為0。在同位旋為1/2的兩種中,同位旋向上的,稱為上夸克;同位旋向下的,稱為下夸克;同位旋為零的則稱為奇異夸克。奇異夸克帶有奇異數。夸克理論後來因實驗事實的補充而不斷發展。1974年丁肇中和墾克特(BRichter)發現J/ψ粒子。原有的夸克理論已無法解釋新的實驗事實,因此有人引入了第四種夸克——粲夸克。粲夸克帶有新的量子數——粲數。1977年發現了重輕子,1978年又發現了γ粒子,促使人們相信還存在第五種夸克和第六種夸克。第五種夸克稱為底夸克。第六種夸克稱為頂夸克。每種夸克都有

默里·蓋爾曼紅、綠、藍三色夸克圖

三味。

蓋爾曼一直是粒子物理學的開路先鋒。1969年他獲得諾貝爾物理學獎,他在諾貝爾獎頒獎慶典上致詞說:「對於我,研究那些法則是與對表現千差萬別的自然界的熱愛不可分的。自然科學基本法則的美,正如粒子和宇宙的研究所揭示的,在我看來,是與跳到純凈的瑞典湖泊中的野鴨的柔軟性相關的……」正是出於對大自然的這種熱愛引領他去發現微觀世界的秩序。研究世界的複雜性。

在獲得諾貝爾獎約15年後。他掉轉了方向,發起創建了聖菲研究所,成了世界研究複雜性理論的中心之一。蓋爾

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曼因自己對簡單世界的洞察力而聞名,八正法完美的規律性產生了所有不同質量的粒子,粒子又進而形成原子核、原子和分子。正是由這些完美的物質基元——夸克和輕子,構成了高度複雜而個性獨立的世界。美籍華裔作家施加彰(ArthurSze)送他一本新出版的詩集中有兩句詩打動了默里:「夸克世界中,萬事都與一隻在夜間徘徊的美洲豹有關。」詩句似乎完善地表達了簡單性如何導致複雜性的奧秘,以及精確的物理定律如何產生有意識的生物。蓋爾曼給他一本揭示複雜性的新書起名《夸克與美洲豹》,1994年出版后大受歡迎。

蓋爾曼在撰文說明宇宙線粒子行為似乎違反了物理學定律時,援引了弗蘭西斯·培根的名言:「沒有任何極致之美,在其結構中不會呈現任何奇異性」。美國作家喬治·約翰遜為蓋爾曼寫的科學傳記的主標題是StrangeBeauty,中譯者譯為《奇異之美》,當然十分貼切。蓋爾曼人生也是充滿奇異性。他給其理論起了一些古怪的名字,如「奇異數」、「八正法」、「夸克」、「小牛肉和野雞」等。信手拈來,皆有典故,且妙趣橫生他的性格可謂古怪奇異,特立獨行,甚至近乎瘋狂。他總是與費曼一爭高低(費曼獲得過1965年諾貝爾獎),競爭加州理工學院物理系「最聰明的人」。他作客日本講學,不顧客人的禮貌,毫不客氣地諷刺日本同事「教條主義態度」「完全不可理喻」。他興趣廣泛,博學多才,能講六七種語言;對鳥類分類學的知識讓專家自愧弗如。他到處奔走,極力宣傳保護野生動物,保護生態,保護自然和文化的多樣性,保護環境,防止盲目發展。

夸克之父——默里·蓋爾曼,是粒子物理學中的奇異之星。他的科學人生讓我們感受到基本粒子世界呈現出的一種出乎意料之外的「奇異之美」,以及發現這種奇異之美的激動人心的過程。

3 默里·蓋爾曼 -貢獻

20世紀60年代,美國物理學家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單

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元——夸克(quark)組成的,很多中國物理學家稱其為「層子」。它們具有分數電荷,是電子電量的2/3或-1/3倍,自旋為1/2.夸克一詞是蓋爾曼取自J·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句「為馬克檢閱者王,三聲夸克」.夸克在該書中具有多種含義,其中之一是一種海鳥的叫聲.他認為,這適合他最初認為「基本粒子不基本、基本電荷非整數」的奇特想法,同時他也指出這只是一個笑話,這是對矯飾的科學語言的反抗.另外,也可能是他喜歡鳥類的原因.

最初解釋強相互作用粒子的理論需要三種夸克,叫做夸克的三種味,它們分別是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇異夸克(strange,s)。1974年發現了J/ψ粒子,要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年發現了Υ粒子,要求引入第五種夸克底夸克(bottom,b)。1994年發現第六種夸克頂夸克(top,t),人們相信這是最後一種夸克。

夸克理論認為,所有的重子都是由三個夸克組成的,反重子則是由三個相應的反夸克組成的。比如質子(uud),中子(udd)。夸克理論還預言了存在一種由三個奇異夸克組成的粒子(sss),這種粒子於1964年在氫氣泡室中觀測到,叫做負ω粒子。

夸克按其特性分為三代,如下表所示:

符號 中文名稱 英文名稱 電荷(e) 質量(GeV/c^2)

u 上夸克 up +2/3 0.004

d 下夸克 down -1/3 0.008

c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5

s 奇夸克 strange -1/3 0.15

t 頂夸克 top +2/3 176

b 底夸克 bottom -1/3 4.7

在量子色動力學中,夸克除了具有「味」的特性外,還具有三種「色」的特性,分別是紅、綠和藍。這裡「色」並非指夸克真的具有顏色,而是借「色」這一詞形象地比喻夸克本身的一種物理屬性。量子色動力學認為,一般物質是沒有「色」的,組成重子的三種夸克的「顏色」分別為紅、綠和藍,因此疊加在一起就成了無色的。因此計入6種味和3種色的屬性,共有18種夸克,另有它們對應的18種反夸克。

夸克理論還認為,介子是由同色的一個夸克和一個反夸克組成的束縛態。例如,日本物理學家湯川秀樹預言的[[π+介子]]是由一個上夸克和一個反下夸克組成的,π-介子則是由一個反上夸克和一個下夸克組成的,它們都是無色的。

除頂夸克外的五種夸克已經通過實驗發現它們的存在,華裔科學家丁肇中便因發現粲夸克而獲諾貝爾物理學獎。近十年來高能粒子物理學家的主攻方向之一是頂夸克 (t)。

至於1994年最新發現的第六種「頂夸克」,相信是最後一種,它的發現令科學家得出有關夸克子的完整圖像,有助研究在宇宙大爆炸之初少於一秒之內宇宙如何演化,因為大爆炸最初產生的高熱,會產生頂誇粒子。

研究顯示,有些恆星在演化末期可能會變成「夸克星」。當星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時,密度大增會把夸克擠出來,最終一個太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那麼大,但仍會發光。

夸克理論認為,夸克都是被囚禁在粒子內部的,不存在單獨的夸克。一些人據此提出反對意見,認為夸克不是真實存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預言都與實驗測量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。

1997年,俄國物理學家戴阿科諾夫等人預測,存在一種由五個夸克組成的粒子,質量比氫原子大50%。2001年,日本物理學家在SP環-8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑料時,發現了五夸克粒子存在的證據。隨後得到了美國托馬斯·傑裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學家們的證實。這種五夸克粒子是由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成的,它並不違背粒子物理的標準模型。這是第一次發現多於3個夸克組成的粒子。研究人員認為,這種粒子可能僅是「五夸克」粒子家族中第一個被發現的成員,還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。

修正一下:有人說什麼發現某某夸克,完全是不懂科學亂杜撰,現在人類只是大膽假設,科學求證,夸克是為了解釋一

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些目前人類無法解釋的現象而提出的可能存在的假設,但人類一直沒找到夸克存在的直接證據.

1996年12月2日,《科技日報》發表了崔君達教授反駁何祚麻院士的文章《複合時空論並非病態科學》。崔在文中進一步指出:"物理學界並非全都公認夸克的存在。不同意見早在70年代就有了。中國物理學家朱洪元,諾貝爾獎得主、量子力學奠基人海德堡都認為:全世界許許多多物理學家花了那麼大的力量尋找夸克,如果夸克真的存在,早就應該找到了。"

這位科學家如此否認夸克當然也不對,像那句"如果夸克真的存在,早就應該找到了。"顯然是謬論,就等於說"如果癌症真的存在,早就應該治好了一樣"

總之科學來不得半點虛假與情緒化,夸克不能直接證明它存在,也不能證明(哪怕間接)它不存在,它目前只是種假設.

4 默里·蓋爾曼 -與聖塔菲研究所

SFI被稱作是「沒有圍牆的研究所」,位於美國新墨西哥聖塔菲城,1984年在蓋爾曼的倡議下與諾貝爾物理學獎得主安德遜(PhilipAnderson)和諾貝爾經濟學獎獲得者阿羅(KennethArrow)等人的支持下創立,該所把複雜性作為研究的中心議題,旨在世界範圍內傳播對複雜理論的多學科研究。2005年暑假SFI曾與中國科學院理論物理研究所、數學與系統科學研究院以及中國科學院研究生院成功的合作在京舉辦了「2005年複雜系統暑期學校」,吸引了不少來自世界各地對此方向感興趣的一流學員。

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