试析盖尔曼—博学多才特立独行的物理学家.docx

试析盖尔曼—博学多才特立独行的物理学家 论文关键词：盖尔曼　奇异量子数　八重法　夸竟模型　　论文摘要：本文就盖尔曼的成长历程、生平业绩、非凡的直觉和独特的科研风格作一简明介绍.意在纪念“夸克模型”创建40周年，籍以弘扬盖尔曼精湛的科学方法和伟大的科学精神.　　默里·盖尔曼(MurrayGellMann,1929)因对基础粒子的分类及其相互作用方面的卓越贡献，尤其是她提出的“夸克”粒子模型，开辟了人类对物质结构认识的新纪元，从而使她荣膺了1969年度诺贝尔物理学奖，成为粒子物理学界一名当之无愧的顶尖人物.甚至有些人誉她为爱因斯坦的继承人之一现就她的成长历程、探索足迹和显赫的结果，和她敏锐的直觉、和众不一样的科研风格作一简明的叙述.　　1出身于书香门第的科学大师1929年9月15日，盖尔曼出生于纽约的一个教授家庭.在父亲和哥哥的培养和影响下，盖尔曼的爱好很广泛.除了终生酷爱语言学、自然历史和数学外，她还兴趣音乐和娱乐，喜爱滑雪，登山旅行;对待生活她勇于冒险和挑战;尤其值得一提的是她还是一个痴迷的鸟类观察者，曾漫游大半个世界去寻求研究观察了数百种鸟类.盖尔曼从小就显示出超人的智慧，常被大家称为奇才.在她只有8岁时，就取得过一笔奖学金，以优异的成绩从一家地方公立学校升人纽约的一所高级学校.盖尔曼19岁就毕业于耶鲁大学，1951年在麻省理工学院获哲学博士学位，并成为普林斯顿大学高级研究院的科研人员.1953年到芝加哥大学任讲师，加人了以费米(EnricoFermi)为关键的研究集体之中.1955年她受聘于加州理工学院，任理论物理学副教授，一年后晋升正教授.所以，盖尔曼是位很早就显露头角的科学家.　　2新的量子数—奇异数的引入对奇异量子数的研究是盖尔曼的关键贡献之一在20世纪40年代末50年代初，研究人员在宇宙线和大型加速器试验中发觉了一批含有新奇特征而当初又无法解释的粒子.为了揭示这些粒子的奇特征一一产生快(102`s)、衰变慢(10)，并总是协同产生，非协同衰变.盖尔曼和日本的西岛和彦分别于1953年和1955年各自独立地提出了奇异量子数的概念，并创建了解释上述粒子奇异性的盖尔曼一西岛法则.奇异数方案指出，不一样的粒子含有不一样的奇异数S.指定K介子S=l;n,超子的s=一1;u超子的s=一2;SZ超子的S=一3，反粒子和对应粒子的奇异数符号相反，光子、n介子和核子的S=0，轻子没有奇异数.盖尔曼指出，在强相互作用中，奇异数是守恒的.即通常能够实现的强作用过程，反应前后奇异数的代数和是不变的.这就解释了为何奇异粒子的衰变不能由强作用引发和非奇异粒子的碰撞中奇异粒子为何会成对产生.盖尔曼还证实了在电磁相互作用中奇异数也是守恒的，而在弱相互作用中奇异数不守恒.奇异数方案的提出，标志着粒子物理学发展的一个新阶段.它为介子、核子和超子的分类提供了一个主要的规则.它不但成功地解释了奇异粒子的行为，而且预言了部分以后陆续为试验所证实的新的奇异粒子(如彭超子)的存在.奇异数守恒定律已成为粒子物理学中的一个基础定律.　　3优美简练的八重法理论的创建　　1961年在奇异数守恒定律的基础上，盖尔曼又提出了SU对称性.对当初大家从试验中发觉的大量的强子，进行了有秩序、有规律的描述.1962年，盖尔曼和以色列物理学家内曼(Neemann)分别独立提出了“八重态”的分类方法，它的得名乃是因为每8个粒子能填人SU群的8维表示中.她们假设，8个质量最小的重子(质子、中子及其激发态):2个核子，3个乏超子，2个三超子及1个n超子，组成一个.‘超多重态”.就像是一个八角形，8个粒子分处各个顶点.这8个重子，自旋全部是1/2，宇称均为正值，质量相近.只是电荷不一样、同位旋不一样、奇异数不一样，图1所表示.从图中我们不难发觉，这8个粒子的排列是井然有序的，其纵坐标为y，横坐标为1(同位旋分量).从排列上能够看出一定的规律.即从左上向右下的方向，同一直线上的粒子电荷数相同;沿水平方向向右，同一直线上粒子的奇异数(或超荷)相同.据此，盖尔曼在她的八重法方案的汇报中指出:“八重法:一个强作用对称性的理论”，并以“重子和介子的对称性”作为该方案正式公开发表的论文的标题.盖尔曼计划用八重态方法把全部新的粒子和新的量子数全部综合进来.根据这一方法，还能够把当初已知的9个重子共振态排列成“十重态”的对称图形.图2中实心圆圈表示的是4个△粒子、3个激发态粒子、2个三‘粒子所处的位置，惟有A点是一个空心圆圈，即表示当初还未发觉的粒子.从这个图形的对称性出发，能够推出处于十重态尖端空位A点上这个粒子的特征.1962年，盖尔曼在欧洲核子中心的会议上预言了这第十个粒子，即“失踪了的”粒子—n粒子，它的电荷Q=一1，奇异数1964年，大家在美国布鲁克海文试验室发觉了n粒子，并和盖尔曼的预言完全吻合.正是这个失踪的粒子，对盖尔曼的八重态方法给予了有力的支持.利用盖尔曼这一模型能够把已知的全部基础粒子归类，而且还给未发觉的粒子预留了位置，其中包含磁单极子、引力子和中间玻色子.　　4神奇奥妙的夸克模型的提出1964年，盖尔曼在坂田模型和“八重法”的基础上，深入提出了更复杂的模型.她认为强子并不是最基础的粒子，而是由更小的粒子组成.她于这一年的2月在欧洲《物理学快报》上发表了一篇论文，题为“重子和介子的一个简略模型”宣称:“假如许可我们设想重子和介子的强相互作用能借助‘强子八重态’正确地描绘出来，我们就得寻求这一情况的一些更基础的解释.”于是盖尔曼设想SU(3>基础表示的三重态应为3种夸克:上夸克u(up)，下夸克d(down)和奇异夸克子由3个夸克组成，介子由一个夸克和一个反夸克组成.夸克全部是两两成对或三三成群，永远不可能单独地被观察到.它们之间的结合是靠交换胶子，胶子就相当于夸克间相互作用的量子，它们的作用和电磁相互作用中的光量子一样.夸克模型的提出，标志着当代物理学发展的一个主要里程碑.它不但圆满地解释了八重法理论为何能够成功地对粒子进行分类，给出了SU(3>对称性的物理基础，而且使奇异数和同位旋有了更深刻的意义，如一个粒子的奇异数就是包含在它内部的奇异夸克S的数目.夸克理论以后因试验事实的不停补充而得到了长足的发展.如聚夸克c(charm)、底夸克b(bottom)和顶夸克t(top)的相继提出.每种夸克含有3种颜色(红、黄、绿)的自由度.伴随6种夸克的存在相继全部为试验所证实，现今物理学工作者已确信夸克和轻子层次是现在人类所达成的一个基础物理层次.这无疑又从另一个方面显示了盖尔曼夸克模型的主要地位.　　 另外，盖尔曼还从事了其它主要课题的研究，并在诸如色散关系、一矩阵理论、重正化群的理论和流代数理论等领域全部作出了杰出的贡献.为量子色动力学、弱作用的唯象理论和弱电统一理论等的创建和发展开辟了道路.和此同时，盖尔曼还对美国的教育、科学和宗教、科学和艺术、不停增加的人口问题和日趋恶化的自然环境等方面全部公开发表过自己独到的精辟看法.　　5敏锐的直觉和独特的科研风格盖尔曼不但以多种卓越的贡献著称于世，而且还以她敏锐而深刻的物理直觉和“离经叛道”的科研风格令人叹为观止.首先，盖尔曼擅长从语言艺术中吸收养分，用丰富的隐喻对物质世界进行思索，建立直觉联络，进而提出科学概念.比如，上文所述的基础粒子的分类方案—8重法，就是盖尔曼依据佛教有关8种正确的生活方法才能免遭痛苦的劝说而命名的.其原文是佛祖释迎牟尼的篇言:“弟兄们，世间有解脱苦难的真谛，即八正道”.又如，1964年盖尔曼在给组成强子的3种基础粒子取名字时，尽管她日思夜想，伤透了脑筋，但却一时难以找到一个适宜的术语.以后在休息时，她随手翻阅了20世纪以来的怪诞百科全书，出乎意料地从伊朗作家詹姆斯·乔伊斯(JonnesJoyes)的长篇小说《芬尼根通宵祭》中发觉了“夸克”这个名词，小说中有这么一段诗句:“夸克……夸克……夸克……三五海鸟把脖子伸直。

一起冲着绅士马克.除了三声‘夸克’马克一无所得;除了冀求的目标全部全部归马克.”　　在这里，“夸克”是海鸥的叫声，而“夸克”的德文原意却是社会底层人物吃的带臭味的软乳酪.盖尔曼立刻在“夸克”和“基础粒子”之间建立了直觉的联络，她顿悟到，她只需要3种不一样的夸克子，就能利用它们的组合来组成全部已知的强子.基础粒子物理学中的3种夸克，其实质是完全相同的.只是因为不一样的相互作用才使它们出现了部分差异，因此它们好比是一样的粒子穿着不一样的服装.“夸克”的艺术喻意是一样的东西含有不一样的颜色和味道，而这和夸克的物理性质相吻合!科学界认为这一语言上的突破就像“能量子”在物理学上的突破一样主要.1969年，盖尔曼取得了诺贝尔奖.当然，盖尔曼给这些粒子起了“夸克”这么奇隆的名字，可能和她厚实良好的语言学素养及其原本是一个鸟类兴趣者不无关系.第二，弗兰西斯·培根指出:“没有任何极致之美，在其结构中不会展现任何奇异性.”假如根据这句话来评判盖尔曼提出的用于描述介子和超子新奇特征的量子数S，它就充斥着奇异美.另外，盖尔曼创建的“八重法理论”，完全相当于粒子物理学中的“周期表”，展现出高度有序的对称性美.用盖尔曼自己的话来说，结构了“一个简单而优美的方案”.所以，盖尔曼被科学界尊称为“20世纪的门捷列夫”.我们也完全有理由认为，崇尚和执着地追求科学美—简单性、对称性和奇异性，是鼓舞盖尔曼进行科学探索的充沛源泉，几乎支配着她的全部工作.不然，盖尔曼不可能在坂田模型和“八重法”的基础上，深入创建她的渗透着奇异美的“夸克模型”.第三，盖尔曼有着一丝不苟、严谨治学的科研风格.她喜爱经过汇报、讨论会和交谈和其它物理学家交流思想，而不轻易发表文章.之因此这么做，是因为她有一个和众不一样的观念，就是她认为发表一个错误的看法对一个人的科学生涯将留下洗不掉的污点.她认为，一个理论学家的洞察力将由她所发表的正确看法数目减去错误的数目，甚至减去两倍的错误数目来衡量.所以，她发表论文总是慎之又慎，常常将她的看法推迟一年半载后才发表出来，甚至永不发表.如她的部分主要工作只是作为预印汇报成为原始文件的.甚至在各年诺贝尔奖的纪念专刊中，至今还有一页空白—那是因为盖尔曼一直没有交出演讲稿而特意为她留下的.因为盖尔曼的杰出的科学贡献，使她曾前后荣获了多个奖励和荣誉.除诺贝尔物理学奖之外，她分别于1959年、1966年、1967年和1968年前后取得了美国物理学会的丹尼·海涅曼(DannieHeineman)奖、美国原子能委员会颁发的E.U.劳伦斯(Lawrence)物理学奖、费城富兰克林学院的富兰克林奖章和美国科学院的J.J卡蒂(Carty)奖章.她是美国科学院院士，并是美国文理科学院的组员.她曾在尼克松总统科学顾问委员会工作过.她还是伦敦皇家学会的外籍组员和法国物理学会的荣誉组员.她还被很多大学授予荣誉科学博士.作为“夸克之父”的盖尔曼，现已进入古稀之年—75岁高龄.但她仍在粒子物理学界傲视群雄.她的几句至理名言，道出了科学和传奇和生活本身的迷惑，而这也恰恰是贯穿本文的一条根本:“在我们的工作中，我们总是处于进退两难的窘境之中;我们可能会不够抽象，并错失了主要的物理学;我们也可能过于抽象，结果把我们模型中假想的目标变成了吞噬我们的真实的怪物.”　　。