高能物理理論的巨人"夸克之父"奇才默里·蓋爾曼辭世

今日驚聞高能物理理論的巨人蓋爾曼默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)于當(dāng)?shù)貢r間5月24日辭世，享年89歲。

蓋爾曼是一位粒子物理學(xué)界的奇才，作出了許多奠基性的工作。自20世紀(jì)50年代以來，蓋爾曼在粒子物理學(xué)中一直扮演著最重要的角色。特別是他于1964年提出的夸克模型，開辟了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的新篇章，被譽(yù)為“夸克之父”，1969年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

此外，蓋爾曼還是一個鳥類學(xué)家和語言天才。他和語言學(xué)家John Hawkins 合著有The evolution of human languages《人類語言的演化》。

Murray Gell-Mann，1929-2019

蓋爾曼其人

蓋爾曼于1929年9月15日出生于美國紐約城。蓋爾曼的父母是第一次世界大戰(zhàn)之后從奧地利移居到美國的。他的父親阿琵·蓋爾曼是一位語言教師，并且通曉數(shù)學(xué)、天文學(xué)和考古學(xué)。受他父親的影響，蓋爾曼終生愛好語言學(xué)和數(shù)學(xué)。蓋爾曼的母親叫波琳·瑞徹斯坦。蓋爾曼弟兄兩人，他的哥哥本尼迪克·蓋爾曼曾是一家報刊的攝影記者。正是在他哥哥的影響下，蓋爾曼對鳥類及自然歷史發(fā)生了極大的興趣。

蓋爾曼從小就顯示出很高的天賦，常被人們稱為奇才。他8歲那年就獲得了一筆獎學(xué)金，從一家地方公立學(xué)校升人紐約的一所高級學(xué)校。雖然蓋爾曼的各門功課的考試成績非常優(yōu)異，但那時他并不喜歡學(xué)校的生活。他認(rèn)為，學(xué)校“太單調(diào)乏味”，甚至“物理也是相當(dāng)令人厭煩的”他時常放學(xué)后在家里學(xué)習(xí)他感興趣的語言學(xué)和歷史等少數(shù)幾門學(xué)科。不過，學(xué)校里的橄欖球這項體育運(yùn)動蓋爾曼還是十分喜歡的。

蓋爾曼剛滿15歲時就考入了耶魯大學(xué)。有趣的是入學(xué)那天剛好是他的15歲生日。對于新的大學(xué)生活，蓋爾曼開始感到非常困惑。因為他對自己的能力表示懷疑，正如蓋爾曼回憶所說，“由于比其他同學(xué)年齡都小，因而容易受到傷害，尤其是在我個性發(fā)展還不成熟時。”另外，他當(dāng)時對自己選擇什么專業(yè)并不確定。他父親傾向于讓他學(xué)習(xí)工程專業(yè)，但他不能接受。由于當(dāng)時沒有其它選擇，他只好在入學(xué)表格上填寫上了與之相近的物理專業(yè)。因此，蓋爾曼認(rèn)為，他能成為一位物理學(xué)家純屬偶然。

1948年他獲得了物理學(xué)士學(xué)位，并獲得了麻省理工學(xué)院的研究生獎金而成為那里的研究生。至此，他從未感到過學(xué)習(xí)的困難。由于天資聰慧，他輕而易舉地取得了高學(xué)分。在麻省理工學(xué)院，蓋爾曼從師于著名物理學(xué)家V·韋斯柯夫。韋斯柯夫是一位耐心隨和的導(dǎo)師，他通過向蓋爾曼顯示物理學(xué)家是如何工作的來激勵他。在這里，蓋爾曼時常參加一些學(xué)術(shù)討論會，這使他開始了解到物理學(xué)家的工作，并在他心中產(chǎn)生了對科學(xué)進(jìn)行挑戰(zhàn)的欲望。

他的博士論文大部分是研究十分困難的中間耦合理論。他的這一工作后來證實是非常有價值的，對1963年諾貝爾獎金獲得者E·P·維格納的研究工作有極大的影響。蓋爾曼于1951年元月獲得了博士學(xué)位。由于他在研究生期間的出色工作，蓋爾曼被資助到普林斯頓高級研究院工作一年(1951年)。同年的夏季，他在依利諾斯大學(xué)進(jìn)行了一段教學(xué)和研究。翌年，蓋爾曼成為芝加哥大學(xué)核研究所(后來改名為費(fèi)米研究所)的講師。在這個研究所里工作，蓋爾曼深為以費(fèi)米為中心所形成的學(xué)術(shù)氣氛而激勵。1953年，蓋爾曼升為助理教授，并在此年提出了著名的奇異量子數(shù)概念。這使年僅24歲的蓋爾曼很快就成為粒子物理學(xué)界的重要人物。

1954年蓋爾曼成為副教授，該年秋季，蓋爾曼到哥倫比亞大學(xué)講學(xué)。于1955年初他離開芝加哥，又一次來到了普林斯頓高級研究院工作。同年4月19日，他與當(dāng)時在那里工作的英國姑娘(一位考古學(xué)家的助手)J·M·道(Dow)結(jié)為夫妻。他們生有一個女兒利莎和一個兒子尼古拉斯。J·M道于1981年12月去世。1955年9月，蓋爾曼接受了加州理工學(xué)院物理學(xué)副教授的位置，并于次年成為教授。1967年，他成為了這里的R·A·密立根理論物理學(xué)教授。

由于蓋爾曼的杰出的科學(xué)成就，他曾先后得到了多種獎勵和榮譽(yù)。除了獲得1969年諾貝爾物理學(xué)獎外，他于1959年獲得了美國物理學(xué)會的丹尼·海涅曼獎：1966年獲美國原子能委員會頒發(fā)的E·O·勞倫斯物理學(xué)獎;1967年獲費(fèi)城富蘭克林學(xué)院的富蘭克林獎?wù)?1968年獲美國科學(xué)院的J·J·卡蒂獎?wù)隆Ｋ谀峥怂煽偨y(tǒng)科學(xué)顧問委員會工作過，他還是倫敦皇家學(xué)會的外籍成員以及法國物理學(xué)會的榮譽(yù)成員，他還被許多大學(xué)授予榮譽(yù)科學(xué)博士。

蓋爾曼對待科學(xué)工作有許多獨(dú)特的風(fēng)格，他喜歡通過報告、論文會和交談與其他物理學(xué)家交流思想。他不怎么閱讀文獻(xiàn)，相對于他的重要影響，他發(fā)表的工作并不多。他不輕易發(fā)表文章的原因是他有一個與眾不同的觀念，就是他認(rèn)為發(fā)表一個錯誤的觀點(diǎn)對一個人的科學(xué)生涯將留下洗不掉的污點(diǎn)。他認(rèn)為，一個理論學(xué)家的洞察力將由他所發(fā)表的正確觀點(diǎn)數(shù)目減去錯誤的數(shù)目，甚至減去兩倍的錯誤數(shù)目來衡量。即使按照這種崇高的標(biāo)準(zhǔn)，蓋爾曼的成績也是非常優(yōu)異的。

蓋爾曼的另一個特點(diǎn)是，連他本人也不十分清楚，他好像總是喜歡將他的觀點(diǎn)推遲一段時間(一年或一年半左右)發(fā)表出來，甚至永不發(fā)表。如他的一些重要工作只是作為預(yù)印報告成為原始文獻(xiàn)。蓋爾曼認(rèn)為，這可能是由于他想讓事情考慮得更成熟一些。他還善于根據(jù)他所熟悉的實驗事實和理論基礎(chǔ)，提出深刻的物理直覺。他注重他人的觀點(diǎn)，反對教條;他時常另辟新的途徑來思考問題。正像他對待生活那樣，他對待科學(xué)也極富挑戰(zhàn)性和冒險性。他不拘于科學(xué)的傳統(tǒng)，時常提出一些新奇的科學(xué)概念和理論，如分?jǐn)?shù)電荷夸克，因而常有人認(rèn)為蓋爾曼有些“離經(jīng)叛道”。他獨(dú)特的文學(xué)風(fēng)格還時常在他的科學(xué)方案的命名中反映出來，如“八重法”、“夸克”和“顏色”等術(shù)語。

蓋爾曼的興趣愛好十分廣泛。他喜歡滑雪、登山旅行，他喜歡研究野生動物和鳥類。他是一個癡迷的鳥類觀察者，他曾漫游了大半個世界去尋找新奇的鳥類，并用他的望遠(yuǎn)鏡觀察到了數(shù)百種鳥。他還喜好音樂和娛樂。對待生活，他喜愛尋求挑戰(zhàn)和冒險，反對單調(diào)乏味，他喜歡參加各項活動。此外，他還對美國的教育、科學(xué)和宗教、科學(xué)與藝術(shù)、日益增長的人口問題以及日益惡化的自然環(huán)境等方面發(fā)表過自己獨(dú)到的見解。

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早期重要研究

蓋爾曼的主要科學(xué)貢獻(xiàn)之一是關(guān)于奇異量子數(shù)的研究。20世紀(jì)40年代末到50年代初，人們首先是從宇宙線實驗，隨后是在加速器實驗中，發(fā)現(xiàn)了一批行為“奇特”的粒子(奇異粒子)。這些粒子的奇特之處在于它們通過強(qiáng)作用產(chǎn)生，卻通過弱作用衰變，這按當(dāng)時的理滄是無法解釋的。如何解釋奇異粒子的這種大的產(chǎn)生截面和長的衰變壽命這一矛盾現(xiàn)象呢?1952年，A·佩斯提出了協(xié)同產(chǎn)生的假設(shè)。他認(rèn)為奇異粒子只能成對地通過強(qiáng)相互作用產(chǎn)生或消失。但這一假設(shè)看起來更像一條經(jīng)驗法則，而不是一個“解釋”。

1952年初，剛到芝加哥大學(xué)的蓋爾曼也開始研究奇異粒子問題。由于他對同位旋一直很感興趣，所以他開始考慮是否同位旋可以用來解釋奇異粒子行為，并試圖用同位旋 I =5/2去描述奇異粒子。大約在該年5月，他在普林斯頓高級研究院做了一次報告。在報告中，他想說明同位旋為5/2假設(shè)時，卻錯誤地說成1，這使蓋爾曼開始思考他的這一口誤，并很快產(chǎn)生了奇異數(shù)的想法。同年8月，他發(fā)表了有關(guān)奇異數(shù)的重要論文“同位旋和新的不穩(wěn)定粒子”。

后來，在1954年7月的格拉斯哥會議上，他與A·佩斯聯(lián)名提交了有關(guān)奇異數(shù)方面的論文，并從實驗中總結(jié)出在弱相互作用中Δ/= 1/2的選擇定則。蓋爾曼又于1956年發(fā)表了題為“作為位移荷多重態(tài)的新粒子的解釋”的論文，進(jìn)一步詳細(xì)地論述了他的奇異量子數(shù)概念，并提出了蓋爾曼-西島法則(日本物理學(xué)家K·西島和彥于1955年獨(dú)立地提出了奇異量子數(shù)方案。當(dāng)時西島和彥稱奇異數(shù)為η 荷)。關(guān)于“奇異”一詞，蓋爾曼最初采用了“好奇”(Curious)，后來改用“奇異’(Strange)。這一詞來自F·培根的詞句“在比例中不具有某種奇異性是不會成為至美的”。

奇異數(shù)方案的基本思想是：當(dāng)時有些強(qiáng)子可劃分為同位旋的多重態(tài)，如質(zhì)子和中子可作為同位旋的二重態(tài)。人們曾嘗試將具有奇異數(shù)的粒子進(jìn)行類似的劃分，但都沒成功。蓋爾曼研究發(fā)現(xiàn)，奇異粒子多重態(tài)的荷電中心與核子二重態(tài)的荷電中心+1/2是有偏離的。他想，這一位移可能表示奇異粒子的一個基本量，因而他假定一個粒子的奇異數(shù)等于該粒子多重態(tài)的荷電中心與+1/2之差的2倍。規(guī)定非奇異粒子(質(zhì)子、中子)的奇異數(shù)S為0，而奇異粒子的奇異數(shù)S不等于0，如Λ，K0，K-的S為-1，K+，K0為+1。他還指出，在強(qiáng)作用中，奇異數(shù)是守恒的，這解釋了為什么奇異粒子的衰變不能由強(qiáng)作用引起以及在非奇異粒子的碰撞中奇異粒子為什么會成對產(chǎn)生。他還證明，電磁作用中奇異數(shù)也是守恒的，而在弱作用中奇異數(shù)不守恒。

奇異數(shù)方案的提出，不僅解釋了奇異粒子的行為，而且還預(yù)言了一些新的奇異粒子，這些粒子后來陸續(xù)為實驗所證實。它不僅建立了基本粒子與相互作用之間的一個邏輯、簡明的關(guān)系，而且為后來強(qiáng)子分類的研究工作奠定了基礎(chǔ)。奇異數(shù)守恒已成為粒子物理學(xué)中的一個基本原則。

50年代初，蓋爾曼在研究奇異量子數(shù)的同時，還從事了許多其它重要課題的研究。1953年，他與M·戈德伯格合作，試圖從定域場論中推導(dǎo)出盡可能多的一般結(jié)果。1954年，為了能夠從強(qiáng)作用理論中得到一些準(zhǔn)確的結(jié)論，以便于實驗檢驗，他們提出了色散關(guān)系，這是50年代研究強(qiáng)相互作用的重要嘗試之一。色散關(guān)系從1955年至1959年也一直是蓋爾曼的一個研究課題，同時他對S-矩陣?yán)碚摰陌l(fā)展起到了重要作用。1953年夏，他與好友F·洛還研究了后來稱為重正化群的理論。這一工作已成為有關(guān)理論的標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)。他們的工作經(jīng)過進(jìn)一步的發(fā)展，對70年代發(fā)展起來的量子色動力學(xué)等規(guī)范理論起著重要的作用。

1956年，李政道和楊振寧關(guān)于弱作用宇稱不守恒的提出，導(dǎo)致了粒子物理學(xué)家對弱作用本質(zhì)的研究。從1957年春天到夏天，蓋爾曼同A·羅森費(fèi)爾德開始研究弱作用，蓋爾曼得出了普適的費(fèi)米作用具有V-A形式的假設(shè)。隨后，他與R·P·費(fèi)曼于1958年發(fā)表了“費(fèi)米相互作用理論”的論文。這一理論給出了弱作用的普適形式(與此同時，G·蘇達(dá)香和R·馬夏克也提出了類似的想法)。這是經(jīng)過20多年曲折發(fā)展以后達(dá)到的關(guān)于弱作用的正確的唯象理論。該文還提出了弱作用由中間矢量玻色子傳遞的思想，為弱電統(tǒng)一理論的發(fā)展開辟了道路。同時，論文中他們首先將流的概念應(yīng)用到弱作用，并發(fā)展成流代數(shù)。蓋爾曼所提出和發(fā)展的流代數(shù)是60年代強(qiáng)作用唯象理論研究的主流之一。人們曾利用流代數(shù)得出矢量守恒(CVC)、軸矢流部分守恒(PCAC)、阿德勒-韋斯伯格求和規(guī)則和其他一些低能定理。同時它對蓋爾曼研究八重法和夸克模型都起到了重要作用。

1959年至1960年期問，蓋爾曼應(yīng)邀來到法國，在法蘭西學(xué)院及巴黎的其他研究機(jī)構(gòu)作為期一年的訪問研究。在那里，他同M·利維合作繼續(xù)研究他與費(fèi)曼已開始的關(guān)于戈德伯格-特里曼(Goldberger-Treiman)關(guān)系式的推導(dǎo)，這導(dǎo)致了軸矢流的散度與π場成正比的想法。于是他同M·利維等人得出部分軸矢流守恒定理(中國物理學(xué)家周光召也在同年(1960)獨(dú)立地發(fā)表了這一理論)。

1960年3月，美國的S·L·格拉肖也來到法國進(jìn)行學(xué)術(shù)報告。在這里，他與蓋爾曼對弱電統(tǒng)一規(guī)范理論進(jìn)行了討論，而且蓋爾曼還鼓勵格拉肖發(fā)表了他的關(guān)于弱電統(tǒng)一理論的論文(1961年)。這篇重要的論文使格拉肖與溫伯格、薩拉姆共同分享了1979年度諾貝爾物理學(xué)獎。蓋爾曼之所以對格拉肖的工作感興趣，原因是自1958年提出V-A理論后，他也在思考用楊-米爾斯規(guī)范理論來統(tǒng)一描述弱作用和電磁作用的問題。1960年秋季，格拉肖應(yīng)蓋爾曼之邀，來到加州理工學(xué)院做一年的訪問研究。這期間，蓋爾曼同格拉肖一起進(jìn)一步研究了如何將楊-米爾斯理論應(yīng)用到弱電作用和強(qiáng)作用中。正是此時，蓋爾曼了解到了李代數(shù)，這促使他提出了著名的八重法理論。

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八重法理論

蓋爾曼的另一杰出工作是八重法理論。到60年代初，人們已在實驗中發(fā)現(xiàn)大量的強(qiáng)子，對這些粒子進(jìn)行有秩序，有規(guī)律的描述乃是粒子物理學(xué)家所追求的目標(biāo)之一。早在1949年，費(fèi)米和楊振寧曾提出π介子是由核子-反核子組成的假說，認(rèn)為核子是更基本的粒子，以解釋其他一些粒子的組成。但該理論不能解釋奇異粒子的組成。1956年，日本物理學(xué)家坂田昌一進(jìn)一步提出了下一層次的基本粒子為p，n，Λ(Λ的奇異數(shù)為-1)。坂田模型可以很好地解釋各種介子的組成，但在解釋重子組成時遇到了困難，如不能排除自然界中不存在的pnΛ粒子(S=-1)。

1959年，日本的小川修三在坂田模型的基礎(chǔ)上提出了SU(3)對稱性理論。50年代末，蓋爾曼開始試圖對日益增多的強(qiáng)子進(jìn)行分類。1958年至1959年，他曾按坂田模型的方案對強(qiáng)子進(jìn)行了研究，但他對這一方案并不喜歡。1959年早期，他決定用楊-米爾斯理論來描述強(qiáng)相互作用，隨后他研究了楊-米爾斯理論的可能推廣。由于他當(dāng)時對群論并不熟悉，致使他沒有取得重大進(jìn)展。

1960年12月的一次偶然的機(jī)會，他從本院的數(shù)學(xué)助理教授R·布洛克那里了解到了李群，并且馬上意識到他所研究的八個生成元相應(yīng)于SU(3)群。這使他很快提出了“八重法理論”。我們知道，SU(3)群的基礎(chǔ)表示為3維，坂田曾用這個表示來代表三個粒子(p，n，Λ)。蓋爾曼通過研究并不相信這三個粒子是基本的，但他也不能確定這個基礎(chǔ)表示應(yīng)當(dāng)是什么。這使蓋爾曼有些失望，但他又不愿放棄SU(3)對稱性。別無選擇，他只有簡單地跳過這個基礎(chǔ)表示，而轉(zhuǎn)向下一個表示，即8維表示。他發(fā)現(xiàn)自旋為1/2，宇稱為正的8個重子正好適合他的八重法方案。然而，當(dāng)他考慮下一個表示，即10維表示時，由于當(dāng)時只有4種相應(yīng)的自旋和宇稱的重子適合于十重態(tài)，因此蓋爾曼認(rèn)為考慮十重態(tài)是很危險的。這樣他暫時不過多地討論十重態(tài)，而是堅持八重態(tài)。

1961年新年伊始，蓋爾曼按照他的八重態(tài)理論，對大量粒子進(jìn)行了分類。由于每八個粒子能填人SU(3)群的8維表示中，因而他命名他的方案為“八重法”，這是依據(jù)佛教關(guān)于八種正確的生活方式能免遭痛苦的勸說而命名的。據(jù)此曾有人將八重法與東方神秘主義相聯(lián)系，這是蓋爾曼所不愿意的，因為他并不相信神秘主義，只是借用一下術(shù)語而已。同年，蓋爾曼將他的八重法方案寫成報告：“八重法：一個強(qiáng)作用對稱性的理論”，并于1962年正式發(fā)表了“重子和介子的對稱性”這篇重要論文，進(jìn)一步討論了八重法方案(與此同時，以色列的Y·尼曼也獨(dú)立地提出了八重法理論)。

八重法理論正如元素周期表一樣，將大量已知的粒子進(jìn)行了有規(guī)則的劃分，并且根據(jù)某一族八重態(tài)中尚且空余的位置來預(yù)言新的粒子的存在及其性質(zhì)。為了使人們發(fā)現(xiàn)這些粒子，蓋爾曼曾建議建造較高能量的加速器。蓋爾曼在提出SU(3)八重法分類的同時，還根據(jù)對稱性破缺的思想，提出了一個質(zhì)量公式。如果SU(3)對稱性是精確的，那么一個超多重態(tài)中粒子應(yīng)具有相同的質(zhì)量，然而事實并非如此。按照“質(zhì)量公式”，超多重態(tài)中的粒子質(zhì)量并不是無規(guī)則的，而是服從一個相當(dāng)簡單的關(guān)系式。由于日本的S·大久保也于1962年獨(dú)立地給出這一關(guān)系式，故人們常稱其為蓋爾曼-大久保質(zhì)量公式。

使八重法理論取得重大勝利的事件是Ω-粒子的發(fā)現(xiàn)。1962年元月，在歐洲核子研究中心召開的一次會議上，一些實驗工作者報告了他們的實驗數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)與坂田模型是矛盾的，而與八重法方案是吻合的。同時，一些實驗工作者還公布了他們新近發(fā)現(xiàn)的兩類新粒子，即Σ*和Ξ*粒子。蓋爾曼也參加了這次會議，他立刻意識到這兩種粒子正適合于SU(3)十重態(tài)表示，并且果斷地預(yù)言了該十重態(tài)的最后一個粒子Ω-。同時，他還促成了布魯克海汶國家實驗室進(jìn)行尋找Ω-粒子的實驗。果然，1964年2月，這個實驗室的N·P·薩莫斯等人宣布了他們已證實了Ω-粒子的存在。不像其他大多數(shù)偶然發(fā)現(xiàn)的粒子，Ω-粒子的發(fā)現(xiàn)具有十分重要的意義，它不僅有力地支持了SU(3)八重法方案，而且顯示了粒子物理理論預(yù)言的重要性同年，蓋爾曼與Y·尼曼共同編輯了《八重法》。

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夸克模型

1964年是使蓋爾曼在粒子物理學(xué)中的地位愈加突出的一年。這一年，W-粒子的發(fā)現(xiàn)證實了八重法的理論預(yù)言;也是在這一年，蓋爾曼進(jìn)一步提出了夸克模型，由此開辟了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的新篇章。1961年，當(dāng)蓋爾曼提出他的八重法理論時，他并不滿足，原因是這個理論不能回答大多數(shù)物理學(xué)家所關(guān)心的問題：難道所有的強(qiáng)子均是基本的嗎?

另外，他在提出SU(3)八重法理論時，跳過了基礎(chǔ)表示3，這使他感到很不安。因為它是推導(dǎo)其他表示的基礎(chǔ)表示，它應(yīng)當(dāng)有物理意義。對基礎(chǔ)表示最邏輯的解釋是它應(yīng)當(dāng)相應(yīng)于一種基本粒子的三重態(tài)，而其他粒子均可由它構(gòu)造出來。但蓋爾曼當(dāng)時找不到已知的粒子來填補(bǔ)它。這個問題一直伴隨著蓋爾曼。

1963年早期，他來到麻省理工學(xué)院講學(xué)。在準(zhǔn)備他的報告時，他試圖尋找最小的基本強(qiáng)子以填充基礎(chǔ)表示。他發(fā)現(xiàn)，如果堅持整數(shù)電荷的觀念，那么最小的一組粒子應(yīng)為4個。他討論了各種四個基本粒子的方案，但均不能令人滿意。1963年3月，他到哥倫比亞大學(xué)訪問。在午餐期問，他同哥倫比亞大學(xué)的R·塞伯等人討論了有關(guān)八重法理論。進(jìn)而塞伯問蓋爾曼為什么沒有考慮最重要的基礎(chǔ)表示3?這激發(fā)蓋爾曼再次思考夸克的思想。蓋爾曼當(dāng)時向塞伯解釋了沒有考慮3的原因是它需要分?jǐn)?shù)電荷 2/3和 -1/3。

蓋爾曼經(jīng)過當(dāng)天以及第二天的思考，意識到如果靴帶方法是正確的話，那么任何基本的強(qiáng)子都將是不可觀察的;如果這些粒子是不可觀察的，那么它們就可能具有分?jǐn)?shù)電荷。這使蓋爾曼開始嚴(yán)肅對待分?jǐn)?shù)電荷的思想他認(rèn)為，分?jǐn)?shù)電荷是可能存在的。為了避免實驗上沒有觀察到分?jǐn)?shù)電荷的問題，蓋爾曼假定它們限制在粒子內(nèi)部。這樣，他就提出了夸克模型，并于1964年2月在歐洲《物理快報》上發(fā)表了關(guān)于夸克模型的論文“重子和介子的一個簡略模型”。

該文雖然只有兩頁長和很少的公式，但卻是現(xiàn)代物理學(xué)的一個重要里程碑。它非常簡潔地闡述了夸克模型。蓋爾曼在文中開頭寫道：“如果我們假設(shè)破缺的八重法理論能正確描述重子和介子的強(qiáng)作用，那么我們試圖尋找這種情況的基本解釋。”他進(jìn)而指出，“如果我們允許電荷為非整數(shù)值，那么可以構(gòu)造一個簡單而優(yōu)美的方案”。他指出SU(3)基本表示的三重態(tài)應(yīng)為三種夸克：上夸克u(up)、下夸克d(down)和奇異夸克s(strange)，且電荷分別為2/3，-1/3，-1/3。并指出，重子由三個夸克組成，介子由一個夸克和一個反夸克組成。

夸克模型解釋了八重法理論為什么成功地對粒子進(jìn)行了分類，給出了SU(3)對稱性的物理基礎(chǔ)，同時使奇異數(shù)和同位旋有了更深刻的意義，如一個粒子的奇異數(shù)就是包含在它內(nèi)部的奇異夸克s的數(shù)目。

關(guān)于“夸克”一詞，蓋爾曼取自J·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克”。夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。蓋爾曼認(rèn)為，這適合他最初想給這些奇怪的分?jǐn)?shù)荷亞單位一個奇特的發(fā)音的想法。同時，他也指出，這只是一個笑話，這是對矯飾的科學(xué)語言的反抗。

蓋爾曼在文中最后還指出，尋找穩(wěn)定的電荷為-1/3和2/3的夸克，將使我們進(jìn)一步確信真實夸克是不存在的。這使許多人認(rèn)為蓋爾曼并不相信夸克是真實的。對這點(diǎn)蓋爾曼后來解釋到，“我這里的意思是說，它們(分?jǐn)?shù)荷夸克)將永久地禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部”。同時，他并不關(guān)心本體論問題。他所說的真實粒子是指實驗上能觀察到的粒子。

對夸克模型，人們最初的反映是冷淡的。當(dāng)蓋爾曼在電話中告訴在大洋彼岸的歐洲核子研究中心工作的V·韋斯柯夫關(guān)于他的夸克模型時，這位老師的回答是，“這是跨越大西洋的電話，是花費(fèi)錢財?shù)模覀儾灰懻撨@種無聊的事情”。部分物理學(xué)家甚至到70年代初仍對夸克的存在表示懷疑，原因是自夸克模型提出后，物理學(xué)家一直沒有發(fā)現(xiàn)自由夸克的存在。(與此同時，美國的G·茲韋格也獨(dú)立地提出了夸克模型，他稱這些基本的分?jǐn)?shù)荷粒子為“王牌”。另外，值得指出的是，相應(yīng)于夸克模型，我國物理工作者于1965年至1966年，提出并深入研究了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的“層子模型”。)

自70年代，隨著高能物理實驗的進(jìn)行，特別是J/ψ 粒子的發(fā)現(xiàn)(1974年)以及弱電統(tǒng)一規(guī)范理論的成功，使人們確信了夸克的存在。現(xiàn)在人們認(rèn)識到夸克有六味三色，除了u，d，s三味夸克外，還有粲夸克c(charm)、底夸克b(bottom)和頂夸克t(top)(1995年3月美國費(fèi)米實驗室宣布已從實驗上證實了最后一種夸克——頂夸克的存在。至此，六種夸克的存在已全部被實驗證實)。每種夸克具有三種顏色(紅、黃、綠)的自由度。現(xiàn)今人們已確信夸克和輕子層次是目前人們達(dá)到的一個基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次，這無疑顯示了蓋爾曼夸克模型的重要地位。

70年代早期，蓋爾曼和H·弗里茲進(jìn)一步推廣了流代數(shù)理論，發(fā)展了光錐代數(shù)，這是一種理解標(biāo)度無關(guān)性的場論方法。1972年，蓋爾曼和弗里茲還發(fā)展了夸克的“顏色”量子數(shù)概念。這是繼Y·南部和韓提出夸克具有另外荷思想的重要發(fā)展。蓋爾曼對倡導(dǎo)和發(fā)展量子色動力學(xué)理論也作出了許多必要的工作。量子色動力學(xué)(簡稱QCD)的命名就是出自蓋爾曼。

蓋爾曼于1969年“因關(guān)于基本粒子的分類及其相互作用方面的貢獻(xiàn)和發(fā)現(xiàn)”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。瑞典皇家科學(xué)院的I·沃勒教授在授獎儀式上，高度評價了蓋爾曼的科學(xué)工作，并指出“十幾年來蓋爾曼在粒子物理學(xué)中一直扮演著重要的角色”;他所引進(jìn)的方法是“進(jìn)一步研究粒子物理學(xué)的最強(qiáng)有力的手段之一”。整個國際物理學(xué)界對蓋爾曼獲得此項殊榮都表示了熱情的接受。

蓋爾曼做出的杰出的科學(xué)成就，使他成為一名當(dāng)之無愧的粒子物理學(xué)的權(quán)威人物。有人甚至認(rèn)為他是愛因斯坦的繼承人之一。他在粒子物理學(xué)中的重要地位，從下面一件事可以看出。1966年在伯克利召開的國際高能物理會議上，會議組織者準(zhǔn)備請幾位專家分別作各個方面的進(jìn)展報告。當(dāng)對請誰來作報告而產(chǎn)生爭議時，有人提出了一個令人鼓舞的建議：讓蓋爾曼一個人將所有的事全包下來。由于蓋爾曼在這一領(lǐng)域的幾乎所有方面都做過工作，在90分鐘的講演中，他權(quán)威地對整個領(lǐng)域作了評述。

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