| 庆承瑞 柳树滋 |
1965-05-31 00:00 |
《关于新基本粒子观的对话》注释
第6版()
专栏：
《关于新基本粒子观的对话》注释
庆承瑞 柳树滋
（一）经典物理学，经典模型
人们最早研究的物理现象是在日常生活中易于遇见的物理现象，它关系到亿万个或更多的原子或光子的总体现象，而不直接显示出个别原子和光子的性质，因此统称之为宏观物理现象。与之相应，规模和分子、原子差不多或更微小的物理现象统称为微观物理现象。
研究宏观物理现象及其规律的科学叫作经典物理学。反映宏观物理现象的本质的概念叫作经典物理概念。由经典物理概念组成的、用来反映物理现象的理论模型叫作经典模型。
经典物理学主要由三部分组成：第一部分叫作经典力学，其中包括声学，研究物体的机械运动的规律。第二部分叫作经典电磁学，其中包括光学，研究电磁现象的规律。第三部分是热力学和经典统计物理学，研究热的现象和由大量客体组成的系统的运动的统计规律。
在近代科学史上，经典物理学的研究开始于十六世纪，基本完成于十九世纪。（有许多物理学家把在二十世纪初年发现的相对论也划归经典物理学。）这是物理学中最早发展和完成的部分，所以叫作经典物理学。
（二）量子、量子论、量子力学、量子电动力学、量子统计力学
经典物理学是从宏观物理现象中概括出来的，只能在宏观物理现象的范围内起作用。从十九世纪末年起，科学研究深入象原子那样微小的客体，就发现经典物理学不能解释微观物理现象。这就提出了建立能够正确反映微观物理现象的理论的问题。
宏观世界事物的能量可以看作是连续地变化的。但是一个原子的内部能量却不能连续地变化，而只能作跳跃式的变化。与之相应，原子放出来的光也不是连续的，而是一份份地放出来的。每一份的光叫作光量子，或简称光子。不连续性是微观世界的一个重要特征。量子一词是用来表达微观世界的不连续性的。
量子论是在二十世纪最初二十年中发展起来的一个关于微观物理现象的初步理论。它揭示了微观世界的不连续性，能够解释若干最简单的微观物理现象，突破了经典力学的一些概念，并为以后量子力学的建立创造了条件。但是，这是一个将经典物理的一部分没有经过改造的运动原理和量子化条件机械结合而得到的理论，有很大的局限性。
将经典力学彻底改造而建成的能够正确反映微观力学现象的基本理论叫作量子力学。将经典电磁学改造而建成的反映微观电磁现象的理论叫作量子电动力学。将经典统计力学改造而成的能够反映大量微观客体所组成的系统的统计性运动规律的理论叫作量子统计力学。量子力学，量子电动力学和量子统计力学是在一九二五年到一九二八年之间发展起来的。
（三）哥本哈根学派、哥本哈根解释、哥本哈根之雾、并协原理
第一个提出原子结构的量子论的，是丹麦物理学家玻尔（N．Bohr，1885——1962）。他对量子力学的发展及完成起了指导作用。他长期在丹麦的首都哥本哈根工作。以他为中心所形成的研究微观物理现象的理论的学派就称为“哥本哈根学派”，其中包括量子力学的奠基人之一德国物理学家海森堡（W．Heisenberg）等。这个学派的学术思想在理论物理学家之中的影响很大。
哥本哈根解释就是哥本哈根学派对量子力学所作的解释。如上所说，微观世界的一个根本特点是它的不连续性。例如经典概念中只具有波动性的光，也是由一个一个光子组成的。它的另一个根本特点是它的规律是统计性的规律。例如经典概念中只具有颗粒性的基本粒子的运动都表现出统计的波动性。基本粒子的这种颗粒、波动二重性，是不能用经典的粒子模型或经典的波动模型来描述的。面对这种困难，玻尔提出了关于微观现象的并协原理。按照这个原理，他们认为，微观客体的粒子性和波动性在实验中不能同时出现，因而粒子性和波动性在微观客体中也永远不能同时存在，只能在认识上把它们相互补充起来。
在否定了关于基本粒子的经典模型以后，玻尔提出了一些唯心主义的论断。他认为，“由于作用的量子性，对微观现象的任何观测，必然导致观测仪器和客体之间的不可忽略的相互作用，因此对于客体和观测仪器，都不能赋予通常物理意义下的独立实在的意义。”又说：“描述自然的目的不在于揭示现象的真实本质，只在于尽可能找出我们的经验的各个方面之间的关系。”这样，他就把不依赖于主观的客观存在从科学中排除了出去。
哥本哈根学派的学术思想在国际学术界所散布的唯心主义和形式主义的影响被坂田昌一教授称为哥本哈根之雾。
（四）场、场论、量子场论
两个带电的物体虽然不相接触，却能相互吸引或排斥，因为，带电的物体能够放出一种物质弥漫于空间，也能吸收这种物质。在通常情况下，这种弥漫于空间的物质是人的感官不能直接感觉到的。两个带电的物体可以通过交换这种物质而发生相互作用，从而相互吸引或排斥。带电物体放出的这种弥漫于空间的物质称为电场。与此相似，带磁性的物体也能够放出和吸收一种弥漫于空间的物质叫作磁场。以后又发现电场和磁场是相互紧密联系的，而且在运动过程中可以相互转化，因此又将电场和磁场统称为电磁场。
从此以后，当物理学家观察到不相接触的物体相互吸引或相互排斥的时候，就解释为存在着某种场作为这种相互作用的媒介。例如，物理学家认为，太阳和地球之间的万有引力是由引力场作媒介的。反映场的运动和变化的理论称为场论。最早建立的场论是英国物理学家麦克斯韦在十九世纪中叶提出的经典电磁场论。反映场的宏观性质的场论叫作经典场论。
在二十世纪初，实验提出确实的证据证明，电磁场具有不连续性，它是由一个一个的光子组成的。于是，在量子力学建立之后，物理学家就将经典场论进行改造，建立量子场论，以反映场的不连续性。经典电磁场论被改造成为量子电磁场论就是这项改造的第一个成功的尝试。目前的基本粒子理论利用量子场论来描述基本粒子，量子场就是由一个一个的基本粒子组成的。
（五）数学的点、点模型、定域场
在数学中，“点”的定义是具有位置，但没有长度、宽度、厚度和体积的东西。这是从实际生活中抽象出来的概念。为了区别于实际生活中的“点”，所以将上述定义的点叫作数学的点。
基本粒子很小。理论物理学家为了方便，将基本粒子看作是一个具有质量的数学的点，这就是基本粒子的点模型。以点模型作为基础而建立的描述基本粒子的量子场论叫作定域场论，相应的场叫作定域场。现在在研究基本粒子的工作中实际上应用的量子场论都是定域场论。例如，量子电动力学就是一种定域场论。
目前的定域场的量子场论只是关于基本粒子的初步理论，但是，有许多物理学家认为这种理论是描述基本粒子的最终理论。文中将这些物理学家称为场论的正统派。
（六）发散困难、重正化、第一种相互作用、第二种相互作用、普遍长度
利用量子电动力学推算微观电磁现象的各种性质，得到的初步结果和实验结果符合得相当好。但是当进一步作更准确的推算时，得到的结果在数量上是无穷大的，因此是不合理的。以后发现，其他的定域场论也都包含着这种理论上的困难。这种理论上的困难称为发散困难。“发散”是一个数学概念，趋于无穷大是最常见的一种发散。
在一九四七年，物理学家发现量子电动力学计算中所出现的一切发散，都来源于在算式中出现的电子质量和电子电荷的理论值是无穷大的。如果将这种不合理的、无限大的电子质量和电子电荷的理论值改为实验中测定的有限的数值，那末所有的发散也随之而消失。这种绕过发散困难的方法叫作重正化方法。在量子电动力学中应用重正化方法，得到很大的成功，推算得到的结果和最精确的实验结果符合得非常好。但是重正化方法有局限性，并不是对于所有的定域场相互作用都是有效的。因此物理学家将基本粒子之间的相互作用分为二类：将那种可以用重正化的方法来处理和避免发散困难的基本粒子之间的相互作用称为第一种相互作用，亦称为可以重正化的相互作用；将那种不能用重正化的方法来处理和避免发散困难的基本粒子之间的相互作用称为第二种相互作用，亦称为不能重正化的相互作用。
在客观世界中，有些物理量不能超过一定的限度。例如，任何机械运动的速度都不能超过真空中光的速度。又如，角动量
（旋转运动的量）的最小单位是?／2。?叫作普朗克常数，是由德国物理学家普朗克（M．Planck 1858—1947）引进物理学中来的。与此相似，海森堡认为，存在着一个长度的最小单位，并称之为普遍长度。他认为场论中的发散困难的根源在于基本粒子的点模型没有反映普遍长度的存在。
（七）基本粒子及其分类
还在上一世纪，自然科学就已经根据实验的研究确立了物质是由很小很小的原子构成的理论。本世纪初进一步发现，原子是一个很复杂的系统。在原子的外围，有许多带阴电的小粒子——电子在运动。原子的中心，有一个带阳电的核心，就是原子核。原子的这一结构图象，最先是英国物理学家卢瑟福（E．Rutherford 1871—1937）提出的，所以称作卢瑟福原子模型。科学进一步发现原子核中有两种粒子，一种是中子（n），一种是质子（P）。中子是不带电的，质子则带有阳电。又因为质子和中子都是构成原子核的粒子，所以统称核子。
在文中所提的三十几种基本粒子中，有的粒子的质量大于核子质量。核子以及质量大于核子的粒子统称重子。基本粒子中，除光子以外，质量最轻的几种粒子是中微子、电子和μ子子。这几种粒子统称轻子。质量介于轻子族和重子族之间的粒叫作介子。（附表）
表中列出的是文中所涉及的35个粒子，其中——线左右的粒子互为正反粒子。习惯上右边的粒子都称为反粒子，反粒子名称字母上大都加上“—”，以示区别。
表中的粒子名称读音是用汉语拼音字标注的习惯的近似读音。
各种基本粒子，除了它们的质量各不相同以外，还可以区分为两大类。原来，基本粒子并不是简单的没有内部运动的质点，而是象陀螺样的，在那里进行着“自转”。表征这种“自转”运动的物理量就是粒子的自旋。实验上发现，轻子族和重子族粒子自旋都是?的半整倍数（即1／2?，3／2?……）。这种粒子叫作费米子。介子和光子的自旋则是?的整倍数（即0，1?，2?……）。这种粒子叫作玻色子。
描述费米子的场叫作旋量场，描述玻色子的场叫作张量场。
（八）基本粒子的相互作用和相互转化
基本粒子之间，存在着各种相互作用。有些是带电的基本粒子，有些虽然不带电，但却象小磁针那样能产生磁场。这些粒子都能与电磁场直接发生作用，或者以电磁场为媒介彼此发生作用。这种有电磁场参与的相互作用就是电磁相互作用。
精细结构常数e2／?c是反映电磁相互作用强度的常数。式中e代表电子的电荷，c代表真空中光的速度。在表达原子现象的精细结构的数学表式中，经常出现这个量，所以称它作精细结构常数。
核子之间存在着非常强的作用力，叫作核力或核子力。核子力比电磁力强得多，所以人们把这种相互作用叫作强相互作用。所有的介子和重子都参与强相互作用。
此外，还存在另一种相互作用。这种相互作用因为比电磁相互作用还弱得多，所以叫作弱相互作用。除光子以外，所有粒子都还参与弱相互作用。
正因为基本粒子之间有各种相互作用，所以基本粒子就能够相互转化。例如一个中子会自动变成一个质子，同时产生一个电子和一个反中微子。基本粒子自动转化为另外的基本粒子的过程统称为衰变。粒子的衰变可以由弱相互作用引起，也可以由电磁相互作用引起。由强相互作用引起的衰变要比前两种作用引起的快得多，所以如果有一个粒子通过强相互作用进行衰变的话，这个粒子一定特别“短命”。“短命”粒子都没有被包括在文中所述的三十几种粒子中，它们有一个新名字，叫作共振态，或共振能级。
中子和质子可以在原子核中相互转化，同时这个原子核也随着发生变化，这时，我们就说原子核在进行β·衰变。
K介子也会衰变，当它衰变成一个π介子，一个阳电子和一个中微子时，就用Ke3来表示这种衰变。
粒子和反粒子有某些性质完全相同，如质量、自旋等；有某些性质完全相反，如电荷、磁矩、奇异数等。据此，阳电子是电子的反粒子（阳电子带阳电，电子带阴电），反中子是中子的反粒子，反中微子是中微子的反粒子，K-介子是K+介子的反粒子，等等。正粒子和它的反粒子碰在一起时可以变为另外的粒子，象费米子与它们的反粒子碰在一起时可以变成光子或介子。这类过程称为正反粒子的湮灭。
基本粒子之间的相互作用不仅仅能引起衰变现象。如果两个粒子相互碰撞，那末这两个粒子的运动方向就会改变，这就叫作散射。
（九）原子核
所有的原子核可以分为两类。一类是稳定的，氘核就是由一个中子和一个质子组成的稳定原子核。还有一类是不稳定的，它们会衰变成别的原子核。这些不稳定的原子核叫作放射性原子核。镭就是人们最早用化学方法提取出来的放射性元素。它的发现彻底打破了元素不可改变、原子不可再分的设想。
原子核中核子的数目叫作这个原子核的质量数。德国物理学家威札克根据测量到的许多原子核的质量，找到了一个公式，称作威札克质量公式。根据这个公式，知道原子核的质子、中子数目以后，就能近似地计算出原子核的质量。
原子核也有自旋。由于构成原子核的核子的自旋是1／2?，所以偶数个核子组成的原子核的自旋只能是?的整倍数，奇数个核子组成的原子核的自旋就一定是?的半整倍数，这就是原子核的偶奇规律。
高能粒子轰击原子核时，可以将原子核打成碎片（实际上是一些较轻的原子核），同时又产生超子（指比核子重的重子）。新产生的超子往往留在原子核的碎片中。这种碎片就称为超碎片。
（十）守恒量、宇称和宇称不守恒
在不受外界影响的条件下，观察任何一个运动的物理过程时，总可以发现有两类物理量。一类是不随时间而改变的，这类物理量叫作守恒量。例如能量、动量都是守恒量。另一类是随时间而改变的，我们就说这类物理量在这一过程中是不守恒的。某个物理量守恒或不守恒，要看具体的相互作用而定。宇称就是一个很好的例子。
在宏观现象中，物体的运动规律是左右对称的。这就是说，物体和它在镜子中的映象的运动规律是一样的。运动规律对于空间的这种对称性质在微观物理学中就导致了一个新的物理量——宇称的出现，它反映了微观粒子的空间左右对称的性质。在发现宇称不守恒以前，人们认为一旦一个微观物理系统具有了某种确定的左右对称性，这种对称性质便不再改变，这便是宇称守恒律。在强相互作用和电磁相互作用中，宇称确是守恒的。但是一九五六年实验发现，在弱相互作用中，宇称不再守恒。这是近十年来物理学的重要发现之一。
（十一）费曼—盖尔曼理论
宇称不守恒发现以前，人们对弱相互作用的具体理论形式是不清楚的。宇称不守恒发现以后，美国物理学家费曼和盖尔曼根据实验事实，提出了普遍适用于各种弱相互作用过程的理论，在他们的理论中，引入一种电荷交换流——以符号Jμ表示。这种流是由一个带电粒子和一个中性粒子组成的，它并不是电流，但是其中有一部分是有方向的流，和电流很象，所以叫矢量流。另一部分和矢量流具有相反的左右对称性，叫作轴矢量流。在电流的运动中，电荷的总数不变，这就是电流守恒，更严格地说，应该称为电荷守恒。既然矢量流和电流很相象，所以也应该有矢量流守恒的规律。
文中J+μ·Jμ表示两个交换流的乘积，S代表奇异数，∑+→n十e＋＋v是带阳电的∑+粒子衰变成中子n、阳电子e+和中微子v的表示式。
（十二）同位旋
实验上发现核子间的作用力与核子是否带电（是质子还是中子）几乎是无关的，加以质子和中子的质量接近相等，一般都认为它们是同一种粒子——核子的带电或不带电状态，它们的强相互作用的性质完全相同，这个性质就称为核力的电荷独立性。只是由于它们带电情况不同，电磁相互作用不同，才引起了它们的质量以及作用力等性质有少量差别。
理论上采用同位旋的概念来描述核力的电荷独立性。所以叫“同位”是对比同位素的概念来的，同位素是指在周期表中位置相同但质量不同的原子，而现在由于质子和中子在强相互作用中的地位相同，所以借用了同位这个词。所以叫“旋”是因为所用的数学工具和描述粒子自旋所用的相同。每个强相互作用粒子都有一定的同位旋。
（十三）群论
群是近世代数学中的一个概念，它是满足一定条件和一定运算规则的抽象元素的集合。群论是系统地研究群的性质和应用的学科。在基本粒子对称性的研究中，广泛采用了群论方法。三维么正群是群的一种。
（十四）奇异粒子、奇异数和中野—西岛—盖尔曼法则
一九四七年以后，陆续发现了一系列新的强相互作用粒子。它们是K介子、Λ超子、∑超子和?超子，以及它们的反粒子。它们具有两个奇异的性质，一个是总是结伴地产生；再一个是产生得快，衰变得慢。这些粒子称为奇异粒子。奇异粒子的上述性质用奇异数来描写，即根据实验的规律性赋予每一个强相互作用粒子以一个整数，称为奇异数。在强相互作用反应中，反应前诸粒子的奇异数的总和等于反应后诸粒子的奇异数的总和。这就是奇异数守恒定律。中野、西岛、盖尔曼三人独立地总结出强相互作用粒子的同位旋、奇异数以及所带电荷等量之间的关系称为中野—西岛—盖尔曼法则。
文中提到的Σ就是一个同位旋和奇异数与∑相同的共振态。
（十五）坂田模型
坂田昌一教授是著名的日本理论物理学家。他长期从事基本粒子物理学的研究，在这方面取得了重要的学术成就。近年来，他写了好多篇关于基本粒子问题的哲学论文，宣传唯物辩证法思想。去年八月，他担任日本科学代表团团长出席北京科学讨论会。
坂田昌一教授于一九四二年在基本粒子物理学的研究中首先预言存在两种中微子和两种介子，后来都得到了实验的证实；在一九五五年又提出了著名的坂田模型，来解释重子—介子族的性质，为近年来的基本粒子模型的研究开辟了道路。
奇异粒子发现以前，费米和杨振宁曾经提出π介子是由核子和反核子组成，这就是费米—杨振宁模型。奇异粒子发现后，一九五五年坂田昌一教授根据中野—西岛—盖尔曼法则提出所有的强相互作用粒子（包括奇异粒子）都是由核子p、n和Λ粒子以及它们的反粒子-p、-n、-Λ所构成（见文中表Ⅰ），这就是坂田模型。他把这几种粒子称作基础粒子。由基础粒子构成基本粒子的模型又叫作复合模型。
坂田模型认为一个粒子的奇异数实际上就是这个粒子所包含的反Λ粒子的个数减去这个粒子所包含的Λ粒子的个数所得到的数值。譬如说，文中表1里面，K介子含有一个反Λ粒子，不含Λ粒子，于是K介子的奇异数就是1-0=1；∑粒子中没有反Λ粒子，但是有一个Λ粒子，于是∑粒子的奇异数就是0-1=-1。有了这个模型，可以很自然地用Λ粒子数守恒来解释奇异数守恒，因为Λ粒子数守恒就意味着Λ粒子的个数减去反Λ粒子的个数的差值不变。
如果忽略坂田模型中基础粒子P、n、Λ的电荷与质量的差别，那末它们就可以看做是同一个粒子处于三种不同的状态。这就是一九五九年日本学者池田、小川、大贯所引入的完全对称性。他们在这个基础上用数学的方法对坂田模型作了进一步的考察，预言了与π介子相对应有一个同位旋为零的πo′介子存在。后来的实验发现了η粒子，它的性质和预言的πo′的性质的确符合得很好，质量和预言的值相差不到百分之四。此外，新发现的一族介子共振态的性质也符合坂田模型预言的要求。
坂田昌一教授和他的名古屋大学的合作者还企图对重子—介子族和轻子族的性质作统一的解释，提出了名古屋模型。按照他们的看法，基础粒子是由基底粒子构成的。基底粒子就是v、e-、μ-，此外也许还有一种带阳电的B+物质。基底粒子上面附上了B+物质，就变成了相应的基础粒子。例如v加上B+就是P；e-加上B＋就是n，μ-加上B+就是Λ。
一九五九年武谷等人提出，在v、e-、μ-这三种基底粒子中，可能v是更基本的，它加上一个所谓ε-荷，就可以变成e-或μ-。e-和μ-的不同只在于带ε-荷的方式不同。这就是所谓圣保罗模型。不久以后，他们又提出可以把名古屋模型和圣保罗模型结合起来，即认为名古屋模型中的基底粒子v、e-、μ-相互之间存在着圣保罗模型所给出的联系，这就是中微子统一模型。
基本粒子物理学是一门极为年轻的科学，它正在迅速发展中。坂田模型在基本粒子构造和分类的理论发展过程中曾经起了重要作用。目前最受到注意的关于基本粒子构造和分类的理论继承了坂田模型理论思想中的若干重要部分。至于名古屋模型和中微子统一模型则尚处于理论假设的阶段，尚有待实验的检验。
（原载《红旗》一九六五年第六期） |
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