高能物理学的现状、发展和应用 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：专论

　　高能物理学的现状、发展和应用
朱洪元
第二次世界大战结束以后，国际上建造能量愈来愈高的加速器，用以进行原子核的研究，发现了许许多多前所未知的粒子；而且发现其中绝大多数粒子，包括质子和中子，还具有内部结构，由更基本的组元组成。高能物理学由此诞生。它研究这许许多多粒子的性质、它们的内部结构以及它们之间的相互作用规律和运动转化规律。因此高能物理学的任务是研究微观世界，探索目前已被人们认识到的物质结构最深层次的规律。７０年代以后，一些国家又建造能量愈来愈高的粒子对撞机，用以进行更宽广、更深入的高能物理研究。现在已经建成的最大的对撞机在日内瓦的欧洲核子研究中心，它的周长约２７公里。
在本世纪２０年代，物理学家认为：基本粒子是不生、不灭、永恒不变的，只有电子和质子两种。基本相互作用也只有两种：万有引力相互作用和电磁相互作用。假使能建立一种统一地反映这二种基本粒子和这二种基本相互作用所服从的基本规律的理论，那么物理学研究的主要任务就完成了，留给后人去做的，是运用这些规律去解决具体问题。
看来客观世界比当时的物理学家所设想的远为丰富和深刻。现在已经发现的不同种类的粒子已超过２００种，而且所有这些粒子都能产生和消灭，包括电子和质子在内，无一例外。并且发现，这些粒子都是配成对的，配成对的粒子称为正反粒子。正反粒子的一部分性质完全相同，另一部分性质完全相反。也有少数正反粒子的所有一切性质完全相同。历来这种正反粒子就是同一种粒子。光子就是一个这类正反粒子的例子。
在２０年代以后又发现了两种前所未知的基本相互作用。一种称为弱相互作用。原子核的β衰变就是弱相互作用所导致的。另一种称为强相互作用。太阳之所以能在几十亿年来不断放热，放光，就是强相互作用所导致的。巨大的原子能也是由强相互作用所导致的。
在实验中已经发现的粒子可分为３类。一类是传递基本相互作用的粒子。它们是传递电磁相互作用的光子，传递弱相互作用的３种中间玻色子。理论预言的传递强相互作用的８种胶子已经在实验上发现其存在的初步证据。理论所预言的传递万有引力相互作用的引力子迄今还没有在实验中被发现。
其它的粒子可以按照其是否参与强相互作用分为二类，即轻子和强子。不参与强相互作用的粒子统称为轻子。已经发现了６种轻子和６种相应的反轻子。电子就是一种轻子，参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的２００多种粒子绝大多数是强子。质子和中子也是强子。实验发现：强子都具有内部结构，由更基本的组元组成。这种更基本的组元在国外称为夸克。我国一部分物理学家称之为层子。因为他们认为：即使这些更基本的组元也不是物质结构的最终的单元，也只不过是物质结构的许多层次中的一个层次而已。已经在实验上发现至少存在５种层子和５种相应的反层子。
反映万有引力相互作用的基本规律的理论是爱因斯坦在１９１５年提出的广义相对论。它成功地通过了迄今为止所有可靠的实验测量的检验。但这一理论在量子化以后出现内部矛盾，因此有待进一步发展。在大量高能物理实验和理论研究的基础上，在６０年代后期和７０年代初期建立了反映电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用的基本规律的理论。这套理论称为标准模型理论。这种理论已经成功地通过了迄今为止所有可靠实验的检验。这是重大的成就。但是它所预言的“顶层子”和“希格斯粒子”远没有在实验中被发现。当然，标准模型理论还需要进行更系统、更深入的实验加以进一步的检验。
标准模型理论的建立是探索客观世界物理基本规律的漫长过程中的一个里程碑，但并不是终点。还有一系列问题有待解答。例如：为什么轻子和层子都各有６种？为什么它们的许多性质匹配得如此巧？为什么不同的轻子、不同的层子的质量值如此悬殊，分别取那样不同数量级的数值？轻子和层子是否也具有内部结构？为什么不同层子参与弱相互作用的强度有那些相互匹配的特点？是否存在新的、未知种类的粒子的基本组元？是否存在新的、未知的基本相互作用？能否统一地理解粒子的一切基本组元和它们之间的一切基本相互作用？
因此正在筹建能量更高的对撞机。例如：美国政府已经批准建造周长约８７公里的质子对撞机。它们将被用以探索从未探索过的研究领域。也在计划建造亮度高得多的，也就是每秒钟粒子碰撞次数多得多的对撞机，用以进行更精密的实验，探测更精细的现象。北京正负电子对撞机基本上属于后一类对撞机。希望利用这些新的对撞机所进行的实验能提供新的线索，引导人们对微观世界深处的本质和基本规律达到更深刻的认识。
高能物理实验研究需要高、精、尖的工业技术的支持，必须进一步发展这些尖端技术，以满足实验研究的新的需求。高能物理研究所发展起来的新技术和新装置开辟了新的研究和应用领域。例如：正负电子对撞机所产生的副产物——同步辐射是一种非常强的Ｘ光和真空紫外光，其亮度为早年Ｘ光管所产生的Ｘ光的亮度高上亿倍甚至１００亿倍，它还具有确定的极化和精确的脉冲时间结构。许多以前无法研究的现象，现在可以用同步辐射来进行研究。同步辐射已被广泛地应用于物理学、化学、生物学、地学、医学、材料科学的研究，开拓了宽广的新的研究领域。现在国际上已经有好几家大公司建造专用的同步辐射装置，利用同步辐射研制集成度要比目前高得多的超大规模集成电路。又例如：星球大战可能使用自由电子激光，它的产生需要性能非常高的加速器。
高能物理研究所发现的新现象和新规律的重大应用现在时机尚未成熟。发现原子核的卢瑟福在１９３７年逝世前不久还认为原子核研究不会有什么实际用处。但在１９３９年就发现了原子核裂变。不久以后就出现了原子弹，接着又利用轻原子核聚变制成热核武器，对国际局势产生重大的影响。能源问题的最终解决可能还得依靠轻原子核聚变反应所释放的能量。在高能物理研究中，这种突破性的发现还有待于将来。
　　　　　　　　　　　　　　（本文作者是中国科学院学部委员）