基本粒子物理学的发展及其现状 [复制链接]

第5版()
专栏：学术动态

基本粒子物理学的发展及其现状
朱洪元
物理学的发展已经经历了三次飞跃，现正处在第四次飞跃的前夜。
物理现象可以划分为四大类：一、宏观、低速现象；二、宏观、高速现象；三、微观、低速现象；四、微观、高速现象。在物理学中，判别宏观和微观的标准是蒲朗克常数h，判别高速和低速的标准是光在真空中的传播速度c。物理学家称现象的线度和动量的乘积远大于h的现象为宏观现象；称线度和动量的乘积和h的大小差不多的现象为微观现象；称运动速度等于或接近于c的现象为高速现象；称运动速度远小于c的现象为低速现象。物理学的第一次飞跃是研究宏观、低速现象的结果，建立了经典力学和热力学，对产业革命产生了重要的影响，现在还继续对工业技术的发展产生影响。物理学的第二次飞跃是研究宏观、高速现象的结果，亦即研究电磁现象和光学现象的结果，导致了经典电磁学和特殊相对论的建立，为工农业的电气化开辟了道路。物理学的第三次飞跃是研究微观、低速现象的结果，亦即研究分子、原子、原子核的结果，导致了量子力学的建立。原子能、半导体、受激光发射是物理学的第三次飞跃所带来的第一批成果。从本世纪三十年代起，物理学开始研究微观、高速物理现象。三十年来，研究的规模日益扩大，进展的速度也愈来愈快，它必将导致物理学的第四次飞跃。
研究微观、高速现象的最重要的成果之一，是一系列远比原子为小的微粒子的发现。几年以前，大多数物理学家还认为这些微粒子是物质的不可分割的、最简单的单位，所以将它们统称为“基本粒子”，并将微观、高速现象的研究称为“基本粒子物理学”。在几千年以前，哲学家就曾经设想，一切物体都是由许多原始的、微小的、不可分割的、永恒不变的粒子组成的。在十九世纪，化学家认为一切物体的最原始的组成单位是原子。在二十世纪初期，物理学家认为一切物体的最原始的组成单位是电子和质子。在不久以前，物理学家认为一切物质的最原始的组成单位是基本粒子。永恒不变的、不可分割的物质的原始单位这一概念的不断变革，表明了形而上学在自然科学中的不断失败，辩证法在自然科学中的不断胜利。
在十九世纪末，原子被证明不是永恒不变的和不可分割的原始粒子以后，物理学家深入研究原子的结构和原子核的结构，发现了第一批基本粒子。它们是：电子、光子、质子、中子和e中微子。电子组成原子的外部结构。光子是光的最小单位，也是电磁相互作用力的传递者，因此对决定原子的外部结构起重要的作用。质子和中子是原子核的组成单位。e中微子是质量和电荷都等于零的粒子，在原子核的β衰变中产生。可以说，基本粒子物理是从原子物理和原子核物理中产生出来的。原子物理和原子核物理所研究的主要是微观、低速物理现象，只有光的放出、吸收和β衰变过程才是微观、高速现象。基本粒子物理学的进一步发展，有待于在实验中利用速度接近光的传播速度的、能量极大的粒子。大部分基本粒子是不稳定的，即使没有外来的影响，也迅速地转化为其他的粒子，寿命很短。有一部分基本粒子虽然在没有外来影响时稳定不变，但在遇到电子、质子或中子时就会迅速起反应，转化为其他的粒子。因此，所有这些基本粒子在地球上十分稀少，即使有，也存在不久，很快转化为其他的粒子。为了要发现这些粒子，必须使速度极高的电子、质子或中子相互急烈碰撞，在能量的转化极大的过程中产生新的基本粒子，然后抓住在这些新的基本粒子转化以前转瞬即逝的时机，探测这些新的基本粒子的存在。
第二批基本粒子是在宇宙线中发现的。原始的宇宙线是从宇宙空间飞来的、速度极高的质子和原子核。它们进入地球的大气层以后，和大气中的原子相碰撞，引起急烈的反应，产生许多次级高速粒子。在本世纪的三十年代和四十年代的大部分，由于没有能量极高的加速器，物理学家主要利用宇宙线进行微观、高速现象的研究，并发现了大约十种新的基本粒子。在这些新的基本粒子中，只有阳电子是在没有外来影响时稳定不变的。但是，阳电子和电子相遇时就转化为一对光子。其他的新的基本粒子即使在没有外来影响时也都是不稳定的，寿命长的约一百万分之一秒左右，寿命短的约一亿亿分之一秒左右。
为了获得大量的高速粒子，推进微观、高速现象的研究，建造了巨大的高能粒子加速器。目前世界上最大的加速器所提供的高速质子的能量达三百三十亿电子伏特，它提供一个实验用的高能粒子数目，可以比宇宙线提供一个实验用的高能粒子数目大一万万倍。在五十年代及以后，基本粒子物理的研究工作，主要是利用巨大的高能粒子加速器进行的。
到目前为止，利用高能粒子加速器所发现的新的基本粒子，已达九十余种，而且这一数目还在继续增加。大部分寿命极短，平均在10－23秒左右，亦即一千万亿亿分之一秒左右。
随着对物质的结构、运动和转化的研究逐步深入，对作用于物质之间的力的理解也逐步深入。物理学家称作用于物质之间的力为“相互作用”。在本世纪初，物理学家认为一切物质的不可分割的原始组成单位是电子和质子。与此相应，他们认为在物理现象中只存在着两种基本相互作用：第一种是重力相互作用，亦即万有引力；第二种是电磁相互作用。在物理研究深入原子核和基本粒子现象以后，发现还存在着另外两种基本相互作用，它们分别叫做强相互作用和弱相互作用。到目前为止，已经发现的就是上述四种基本相互作用。
重力相互作用和电磁相互作用的影响半径很大，所以统称为长程力；弱相互作用和强相互作用的影响半径比原子的半径还小得多，所以统称为短程力。但是就相互作用的强度来说，则强相互作用最大；电磁相互作用的强度次之，仅及强相互作用的百分之一；弱相互作用的强度又次之，仅及强相互作用的一百万亿分之一；重力相互作用的强度最小，仅及强相互作用的一千万亿亿亿分之一。与之相应，由强相互作用所决定的基本粒子转化过程进行得最快，常常只需要10－23秒左右。由弱相互作用所决定的基本粒子转化过程进行得慢得多，需时常在10－10秒以上。由电磁相互作用所决定的基本粒子转化过程进行的速度，在以上二者之间。至于重力相互作用，它和其他三种相互作用相较弱得太多，因此在基本粒子转化过程中的作用是微不足道的。
在科学发展的历史上，重力相互作用的发现最早，关于重力相互作用的理论也最成熟，它就是爱因斯坦所建立的普遍相对论。目前关于基本粒子的电磁相互作用的理论叫作量子电动力学。在实践中，量子电动力学是一个成功的理论，它的预言和目前世界上最精确的实验结果完全符合，但仍有一些原则上的弱点，有待于进一步改进。关于强相互作用和弱相互作用的理论，则还在初期阶段，远不成熟。但是在五十年代，对弱相互作用的理解有相当大的进展。在最近几年，对强相互作用的理解也有所发展。
物理学家正在尝试按照基本粒子的性质，将它们进行分类。基本粒子的一个十分重要的性质是：它参予什么相互作用。物理学家按照这一性质将所有的基本粒子分为如下三个族：一、光子族；二、轻子族；三、重子——介子族。光子族只有一种基本粒子：光子。光子是电磁相互作用的传递者，它既不参予强相互作用，也不参予弱相互作用。轻子族中有八种基本粒子，它们都参予弱相互作用，但是不参予强相互作用。重子——介子族中的基本粒子最多，目前所知的已几达百种，它们既都参予弱相互作用，又都参予强相互作用。当然，一切物质都具有万有引力，因此都参予重力相互作用，所有这三族中的基本粒子都参予重力相互作用。
在对这三个族进行研究的事实的基础上，物理学家提出一个重子——介子族中的基本粒子分类的理论，即所谓“八重态理论”。八重态理论是一个唯象理论，是一个描述现象规律的理论。它的成就促使物理学家进一步去探索这些现象规律深处的实质。早在一九五五年，日本的著名物理学家坂田昌一就提出一个关于重子和介子的结构的模型理论。坂田昌一提出的模型理论在解释介子的分类和性质时取得很好的成就，但在解释重子的分类和性质时却遇到了困难。八重态理论是在将坂田昌一提出的模型理论进行一分为二的分析，承继其正确部分，抛弃其不正确的部分，较全面地考虑了实验所提供的线索之后提出来的。在今天，物理学家在八重态理论的启发下，提出了一些更新的关于重子和介子的结构的模型理论。在所有这些模型理论中，重子和介子都不是什么不可分割的、最简单的粒子，它们都是由三种或稍多一些的更简单的粒子和相应的反粒子组成的。在七十年前，原子是永恒不变的和不可分割的物质最简单的单位的思想，遭受到决定性的打击，后来终于为科学家所抛弃。此后，科学家又将这一形而上学的思想略加改变，托附在基本粒子身上。科学的实验今天又在迫使科学家放弃这一思想。
早在五十七年前，列宁就曾经说过：电子是无穷无尽的。这句话对于当时的物理学家说来是不可理解的。但是，科学实验不断证实这一句名言。现在基本粒子物理研究已经深入质子和中子，探索它们的内部结构，测定它们的电荷分布和磁矩分布。为了分析和分解基本粒子，物理学家正在计划建造能量高达三千亿电子伏特的加速器。这种加速器的直径长达二公里，占地超过六千亩。看来研究愈深入，每前进一步所需付出的劳动和代价也将愈大。但是可以预期，得到的成果也将是非常丰硕的。物理学的第四次飞跃必将使物理学达到新的、前所未有的高度。