| 朱洪元 |
1962-10-30 00:00 |
基本粒子物理学
第5版()
专栏：
基本粒子物理学
朱洪元
在本世纪二十年代末和三十年代初，人们开始建造加速器，用来研究原子核物理学。第一架建成的加速器能将质子加速，使它的速度达到光速的1．5％，使它的能量达到十万电子伏。在第二次世界大战以后，人们建造愈来愈大的加速器，产生速度和能量愈来愈高的粒子，用来研究比原子核还微小的微观物理世界。现在世界上最大的加速器的直径已约二百米，能将质子加速，使它的速度达到光速的99．954％，使它的能量达到三百亿电子伏。对于微观物理现象来说，三百亿电子伏是一个很大的能量。一个铀原子核裂变所释放的能量约为二亿电子伏，不到这个能量的百分之一。建造这种加速器需用钢材四千吨，造价折合成人民币达五千万元。可以说，深入研究高速的微观物理现象，是近代物理学最重要的发展方向之一。这个物理学中新开辟的领域叫做“高能物理学”，也叫做“基本粒子物理学”。
为什么世界上各科学先进国家都投入大量人力、物力，进行高速的微观物理现象的研究呢？为什么将这种研究叫做基本粒子物理学呢？基本粒子物理学包括哪些主要内容呢？
为了回答这些问题，首先得说明，什么叫做高速物理现象，什么叫做微观物理现象。“高速”是相对“低速”而言的，“微观”是相对“宏观”而言的。这些都是相对的概念，因此判别一个现象是高速的或低速的，是微观的或宏观的，必须先定一个标准。在物理学中，判别速度高低的标准是光传播的速度，简称“光速”。光速约为每秒钟三十万公里，是机械运动速度的极限。任何机械运动的速度都不可能超过光速。凡是速度远小于光速的现象，在物理学中都叫做低速现象；凡是速度接近光速或等于光速的现象，在物理学中都叫做高速现象。根据这个标准来衡量，蜗牛的爬行、火箭的飞行都是低速现象。甚至核子在原子核中运动也是低速现象；因为在原子核中，核子运动的速度只不过是光速的五分之一。在日常生活中经常接触到的高速现象是光学现象和电磁现象。原子核的β衰变是高速现象，因为在β衰变中放出的中微子的速度和光速一样高，放出电子的速度也接近光速。
称一个现象为微观物理现象，一方面要求现象所占据的空间范围很小，另一方面还要求现象中的运动量也很小。这就要求现象的线度和动量的乘积很小。在物理学中，长度和动量的乘积叫做“角动量”。实验事实说明，角动量的最小单位是5．27×10－28厄格、秒。通常用符号?代表这个角动量的最小单位的一倍。在物理学中，就用这个物理常数?作为判别微观和宏观的标准。假使物理现象的线度和动量的乘积远大于?，那末就是宏观的现象；否则就是微观的现象。根据这个标准判断，地球绕太阳运行、尘埃在空气中飘游都是宏观现象。甚至在电子管中，电子从阴极飞到阳极，也是宏观现象。但是原子在分子中的运动，电子在原子中的运动，核子在原子核中的运动都是微观现象。加速器所加速的质子和原子核碰撞的过程也是微观现象。
从这个角度看，可以将物理学发展的历史大体划分为如下四个阶段，并考察各阶段研究成果对于生产实践所产生的影响。
第一阶段：研究宏观、低速物理现象，
第二阶段：研究宏观、高速物理现象，
第三阶段：研究微观、低速物理现象，
第四阶段：研究微观、高速物理现象；当然，不能将这四个阶段截然分开。常常前一个阶段还没有结束，后一个阶段已经开始。
人认识世界，常常从生活中直接接触到的事物开始。在人生活直接接触到的物理现象中，绝大部分是宏观现象，特别是宏观、低速现象。这说明，为什么物理学研究从宏观、低速现象开始。第一个阶段研究成果最后总结为经典力学和热力学。经典力学和热力学对于工业技术的发展曾经起了重大的作用，而且还正在继续发挥重大的作用。物理学发展的第二个阶段总结了宏观、高速现象研究的成果，主要是光学现象和电磁现象的研究成果，得到了经典电磁学，并在最后导致特殊相对论的发现。工业技术在经典电磁学的基础之上，产生了一次飞跃。列宁的名言：“共产主义就是苏维埃政权加全国电气化”，生动地说明了经典电磁学在生产实践中所起的巨大作用。从十九世纪末起，物理学深入研究微观、低速物理现象；并在本世纪的二十年代，在原子结构研究的基础之上，得到了量子力学。接着又向各个方面深入，从宏观物体的微观结构一直到原子核的研究都蓬勃地发展起来。这一阶段的研究目前还在以广阔的规模向前推进。原子能、半导体等等的利用是这一阶段的研究成果在生产实践中发挥重大作用的第一批例子。可以肯定，微观、低速物理现象的研究已经在导致工业技术的又一次飞跃。微观、高速物理现象的研究是从本世纪的三十年代开始的，因此目前还处在物理学发展第四阶段的初期。从前三个阶段的物理研究对于生产实践所产生的作用看，有充分的理由期望，物理学第四阶段的研究也终将引起工业技术的新的飞跃。这说明了，为什么现在世界上各科学先进的国家都用很大的力量，从事微观、高速物理现象的研究。
研究微观、高速物理现象的第一批重要成果，是许多前所未知的、微小的粒子的发现。目前人们还没有能够将这些粒子分解为更原始的粒子，也不能区分这些粒子中哪些是更基本的，因此就将这些粒子统称为“基本粒子”，并将微观、高速物理现象的研究叫做“基本粒子物理学”。在几千年以前，就有人设想，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。这样的思想在科学发展史的不同阶段上，经历了不同的变革，以不同的形式出现。在十九世纪，人们认为一切物体的最终组成单位是原子。在二十世纪初期，人们认为一切物体的最终组成单位是电子和质子。在今天，人们认为，物质的最终组成单位是基本粒子。“基本粒子”这一概念标志着今天人对物理世界认识的深化程度。
十九世纪末放射性的发现，动摇了原子是永恒不变的物体最终组成单位的看法，为物理研究深入原子内部开辟了道路。原子的外层由电子组成，因此最早被发现的基本粒子是电子，那是1897年的事。通常以符号e－代表电子。决定原子外层结构的作用力由电磁场传递，光子是电磁场的最小单位，因此第二个被发现的基本粒子是光子。通常以符号γ代表光子。在物理研究深入原子核之后，就发现了第三和第四个基本粒子：质子和中子，通常分别以符号p和n代表。质子和中子是原子核的组成单位，因此统称为“核子”。人们研究了原子核β衰变的规律，发现原子核在β衰变中所失去的能量并不等于在β衰变中放出的电子所带走的能量。为了不违反经过大量实验考验过的能量守恒定律，有人在1930年提出理论，认为在β衰变中还放出一个质量等于零、不带电荷的、因此在实验中难于察觉的、新的基本粒子，带走了那份没有着落的能量。这种新的基本粒子最后在利用原子反应堆所做的实验中被发现，并被命名为“中微子”。通常以符号Ve来代表在β衰变中放出的中微子。
基本粒子物理学的进一步发展有待于在实验中利用速度更高、能量更大的粒子。在本世纪的三十年代，人们虽然已经开始建造加速器，但是当时建造的加速器很小，被加速的粒子的速度和能量都不高，不足以作为研究微观、高速物理现象的有力工具。幸而自然界给我们提供了一个天然的高速粒子的来源：宇宙线。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。它们在进入地球的大气层以后，和大气中的原子相碰撞，引起了剧烈的反应，产生许多次级高速粒子。在本世纪的三十年代和四十年代，基本粒子物理研究主要是利用宇宙线进行的。在宇宙线中发现的第一个新的基本粒子是正电子。
在电子和质子被发现以后，使人们感到难于理解的一个问题是：为什么在自然中，正电和负电处于这样不对称的地位？那时候唯一已经被发现的、带正电荷的基本粒子是质子，唯一已经被发现的、带负电荷的基本粒子是电子；但是质子的质量却比电子的质量大1836倍。在1932年，人们终于在宇宙线中发现了一种带正电荷的粒子，它的质量和电子的质量完全相等。人们称这种新发现的基本粒子为“正电子”，并用符号e＋来代表它。人们也称它为和电子相对应的“反粒子”，因为正电子只有电磁性质和电子的电磁性质相反，其他的性质都和电子相同。从此以后，大多数理论物理家就深信，正电和负电在自然中所处的地位是对称的；存在着一种基本粒子，就一定也存在着一种与之相对应的反粒子。存在着质子、中子、中微子，那末也一定存在着反质子、反中子、反中微子。通常以符号－P、－n、－Ve分别代表反质子、反中子和反中微子。反中微子在β衰变过程中被发现。现在人们称在β衰变中和正电子同时放出的不带电荷的粒子为中微子。和电子同时放出的不带电荷的粒子为反中微子。和光子相对应的反粒子就是光子自己。关于反质子和反中子的发现在下面还会提到。
人们在宇宙线中还发现了一系列新的基本粒子，他们的质量都介乎电子的质量和质子的质量之间，因此统称为“介子”。此外，在宇宙线中还发现了另外一系列新的基本粒子，他们的质量都超过了中子的质量，因此统称为“超子”。利用宇宙线来研究介子和超子的详细分类及其各种性质，遇到很大的困难。因为要进行这种研究，必须累积大量数据。在宇宙线中虽然存在着各种高能粒子，但是为数很少，因此累积数据很慢。由于同样的原因，在宇宙线中寻找反质子和反中子的工作进行了许多年，还得不到确实可靠的结果。
为了迅速推进基本粒子物理研究，有必要建造巨大的高能粒子加速器。因为高能粒子加速器提供一个实验用的高能粒子的数目可以比宇宙线提供一个实验用的高能粒子的数目大一百万倍以至一万万倍。因此在第二次世界大战以后，开始建造巨大的高能加速器。利用这些加速器进行基本粒子物理研究，得到了大量成果。可以说，自从本世纪的四十年代末一直到今天，基本粒子物理研究主要是利用高能加速器进行的。
目前已经发现的介子可以分为三类，分别称为“μ介子”、
“π介子”和“Κ介子”。μ介子有二种，分别以符号μ－和μ＋来代表。μ－带负电荷。μ＋带正电荷，是和μ－相对应的反粒子。π介子有三种，分别以符号π＋、π－和π0来代表。π＋带正电荷，π－带负电荷，是和π＋相对应的反粒子。π0不带电荷，和它相对应的反粒子就是π0 自己。Κ介子有四种，分别以符号Κ＋、Κ－、Κ0和－Κ0来代表。Κ＋带正电荷。Κ－带负电荷，是和Κ＋相对应的反粒子。Κ0和－Κ0都不带电荷，Κ0是和－Κ0相对应的反粒子。
目前已经发现的超子也可以分为三类，分别称为“∧超子”、
“∑超子”和“?超子”。∧超子只有一种，不带电荷，以符号∧代表。∑超子有三种，分别以符号∑＋、∑－和∑0表示。∑＋带正电荷，∑－带负电荷，∑0不带电荷。?超子有二种，分别以符号?－和?0表示。?－带负电荷、?0不带电荷。现在习惯于将Κ介子和超子统称为“奇异粒子”。这是因为在这些粒子被发现的时候，理论上完全没有预料到他们的存在，使人感到奇异的缘故。
利用高能加速器进行实验，还发现了反质子、反中子以及和各种超子相对应的反超子－∧、－∑＋、－∑－、－∑0、－?、和－?0。其中－∑－是我国物理家王淦昌和各兄弟社会主义国家的物理家合作，共同发现的。
最近利用世界上最大的加速器进行实验，发现存在着两种不同的中微子。其中一种在β衰变中放出来，在前面已经介绍过。另一种在π介子的转化过程中放出来。π介子是不稳定的粒子，它能衰变成为一个μ介子，同时放出一种新的中微子。我们以符号Vμ代表和μ＋同时放出的中微子，以符号－Vμ代表和μ－同时放出的反中微子。Ve和Vμ的下右标符“e”和“μ”分别表示中微子是和正电子同时放出的那一种，或是和μ＋同时放出的那一种。
寻觅新的、前所没有发现的基本粒子，是当前基本粒子物理研究的一个重要方面。现在已经发现的基本粒子共三十二种。在下面的表格中我们列举它们的名称和它们的一些基本性质。（附图表）
（注）Κ°有二类不同的衰变方式，它们的平均寿命分别为10－10秒和6×10－8秒。
表中第一行、第二行、第三行和第六行的意义是明显的，不需要再加解释。表中第四行和第五行的意义需要略加说明。大多数基本粒子都绕着自己的质心旋转，因此具有自旋角动量，简称自旋。例如：电子的自旋等于?／2，那是角动量的最小单位。光子的自旋等于?，π介子的自旋等于零。第四行所给出的，是各种基本粒子的自旋。在具有自旋的基本粒子中，中微子和反中微子的自旋性质很特殊。中微子以光速运动，它的自旋的旋转方向永远像左手螺钉的旋转方向一样。反中微子也以光速运动，它的自旋的旋转方向永远像右手螺钉的旋转方向一样。所有其他已经发现的、具有自旋的基本粒子的自旋旋转方向既可以像左手螺钉那样，也可以像右手螺钉那样。
基本粒子的一个十分重要的特点是：他们可以相互转化。大多数基本粒子是不稳定的；即使没有外来影响，也会自动衰变，转化为其他的基本粒子。例如：一个π＋可以衰变为一个μ＋和一个Vμ，Κ＋可以衰变为一个π＋和一个π°，∧可以衰变为一个p和一个π－。表的第五行给出这些基本粒子的平均寿命。
在没有外来影响的时候，稳定不变的基本粒子只有九种，那就是：质子、反质子、电子、正电子、光子、二种中微子和二种反中微子。即使这些基本粒子也不是在任何条件之下都是永恒不变的。他们在适当的条件之下都能转化为其他的基本粒子。例如：电子和正电子遇在一起，它们就转化为二个或三个光子；质子和反质子遇在一起，他们就转化为许多介子；光子在很强的电场中可以转化为一对电子和正电子。到现在为止，还没有发现过永恒不变的基本粒子。
基本粒子的相互变化说明了他们之间的统一性，说明了在他们之间存在着普遍的连系。这种连系在基本粒子物理学中叫做“相互作用”。研究基本粒子之间的相互作用是当前基本粒子物理研究的另一个重要方面。根据已经知道的实验结果，可以将相互作用按强弱的程度分为三类：“强相互作用”、“电磁相互作用”和“弱相互作用”。由强相互作用决定的基本粒子物理过程进行十分迅速，常常只需时10－23秒钟左右。相对说来，由弱相互作用决定的基本粒子物理过程就进行得很慢，一般需时10－10秒以上，亦即比强相互作用所决定的过程所需的时间长十万万万倍以上。由电磁相互作用所决定的基本粒子物理过程进行所需的时间在二者之间。目前对于电磁相互作用的理解最为深入，对于弱相互作用的理解在近五年来也取得了较大的进展。但是一直到目前为止，对于强相互作用的理解始终进展很慢。这是因为相互作用强，牵涉的因素多，问题就大为复杂化，难于分析。
从表中可以看出，同一类中的各种基本粒子的性质很相近。例如：π介子有三种，它们的自旋都等于零，它们的质量基本上相等；中微子和反中微子有四种，它们的自旋都等于?／2，质量都等于零。这说明基本粒子具有一定的对称性质。研究基本粒子物理规律的对称性质，也是当前基本粒子物理研究的一个重要方面。因为物理规律的对称性质是和一定的守恒定律连系起来的。守恒定律都是物理学中十分重要的规律。例如：空间的均匀性和动量守恒定律相连系，时间的均匀性和能量守恒定律相连系。随着实验事实的累积，对于基本粒子物理规律对称性的认识正在逐步深入。已经发现：核子和超子的总数减去反核子和反超子的总数是一个守恒的数量，Ve、Vμ、e－和μ－的总数减去－Ve、－Vμ、e＋和μ＋的总数也是一个守恒量。这二个守恒定律是普遍起作用的规律。此外还发现了一些在有限的范围内起作用的守恒定律。李政道和杨振宁发现弱相互作用的规律不具有左右对称性，宇称在弱相互作用过程中不守恒，是对于基本粒子物理规律对称性的研究的重要贡献。这个发现有力地推动了弱相互作用理论向前发展。
在基本粒子物理的实验研究的基础之上，理论物理正在进入新的发展阶段。目前正在逐步建立描述微观、高速物理现象的理论。探讨宏观、高速物理现象的主要理论工具是特殊相对论；探讨微观、低速物理现象的主要理论工具是量子力学。人们企图将特殊相对论和量子理论结合起来，得到探讨微观、高速物理现象的理论工具。在这个方向前进的第一步是：一方面改造了描述电子的量子力学，使之满足特殊相对论的要求；另一方面又改造了已经满足特殊相对论要求的经典电磁场理论，使之满足量子力学的基本原理。人们称这套新的理论为“量子电动力学”。利用量子电动力学探讨电子和光子的相互作用过程，得到很大的成就。以后人们就按照量子电动力学的理论形式，建立描述其他基本粒子及其相互作用过程的理论。在这种理论中，每一种基本粒子都被看作是一种相应的场的最小单位，是这种场的“量子”；正如光子是电磁场的最小单位，是电磁场的“量子”一样。因此人们将这种理论统称为“量子场论”。量子场论是目前探讨微观、高速物理现象的主要理论工具。在实验的考验中，量子场论在不同的领域中取得了不同的成就，同时也暴露了不同程度的局限性。它能解释最精细的电磁相互作用效应；但是在探讨强相互作用过程时，取得的成就很有限。即使量子场论的最早的、也是最成熟的部分——量子电动力学——也具有一些原则性的缺点。因此量子场论也还只是关于微观、高速物理现象的初步理论。
回顾已往三十年，可以看出，基本粒子物理学已经从无到有，成长为近代物理学中一个十分重要的部门。特别在最近十五年中，进展尤其迅速。与此同时，人们也逐步认识到微观、高速现象的无限复杂性，和未来研究任务的艰巨性。现在苏联正在建造能量约为七百亿电子伏的质子加速器，美国正在建造长达三公里的电子加速器。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，得到的收获也是非常丰硕的。物理学发展第四阶段研究成果的总结，必将使物理学达到新的、前所未有的高度。 |
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