默里·盖尔曼(英语:Murray Gell-Mann,1929年9月15日—2019年5月24日),美国物理学家。来源:诺贝尔奖官网
导读:
邢志忠 | 撰文
二十世纪三十年代至五十年代,是粒子物理学大发展的黄金时代之一,其显著特征在于很多先前闻所未闻的新粒子都是在宇宙线观测实验中被发现的,诸如电子的反粒子——正电子(1932年)、电子的小姐妹——子(1936年)、最轻的强子——介子(1947年)以及含有“奇异”(strangeness)量子数的介子(1947年)。当时理论物理学家们面临的两个棘手问题,一是如何系统地描述实验所发现的众多介子和重子态,二是如何理解这些粒子的内在结构和基本性质。
在这场争当粒子物理学界的德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)的智力竞赛中,美国物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)一骑绝尘,成为最大的赢家。他于1953年提出了基本粒子的一个新量子数——奇异数 [1],1962年发明了强子分类的“八重法”[2],1964年创建了SU(3) 夸克模型 [3],1969年荣获诺贝尔物理学奖。
在含有奇异量子数的强子中,最轻且最先被发现的是自旋量子数等于零的赝标量(pseudoscalar)介子家族,包含两个带单位电荷的介子以及两个电中性的和介子。实验观测表明,这样的“奇异强子态”总是通过强相互作用成对地产生,即正反介子相伴而生。因此1953年,年仅24岁的盖尔曼和27岁的西岛各自独立地意识到,如果设定介子分别具有的奇异量子数,那么它们成对产生的反应前后一定会保证总的奇异数为零,后者与普通的宇宙线粒子和大气层(主要是质子和原子核)并不含有奇异强子的事实相符。以此类推,就可以将当时发现的强子赋予适当的奇异数,从而按照其电荷和奇异数的顺序将自旋量子数相同的介子或重子排列在一起,如图1和2所示。这一别出心裁的“强子周期表”就是盖尔曼独创的“八重法”(eightfold way)强子分类模式,其中“八重”体现了轻介子和轻重子所近似满足的SU(3) 对称性中的“八维”表示。
图1:质量较轻、自旋量子数为零的赝标量介子所满足的“八重法”分类,其中“S”和“Q”分别代表奇异数和电荷数。
图2:自旋量子数等于3/2的重子“十重态”所满足的“八重法”分类,其中“S”和“Q”分别代表奇异数和电荷数。
盖尔曼是在1960年的圣诞节期间完成了利用八重法对强子进行分类的研究工作。该工作最初版本的标题为“八重法:一个关于强相互作用对称性的理论”(The eightfold way: a theory of strong interactions)于1961年1月20日以加州理工学院预印本的方式对外公布,其定稿版出现在3月15日,并于3月27日被美国物理学会主办《物理评论》(Physical Review)期刊编辑部接收。最终盖尔曼的这篇大作以“重子和介子的对称性”(Symmetries of baryons and mesons)的新标题于1962年2月正式发表,比尼曼发表在欧洲物理学会主办的《核物理》(Nuclear Physics)期刊上、题为“从规范不变性推导强相互作用”(Derivation of strong interactions from a gauge invariance)的论文晚了整整半年!
作为以色列国防军的退伍军官,年长盖尔曼四岁的尼曼当时正在英国伦敦的帝国学院跟随理论物理学家阿卜杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)攻读博士学位。他在1960年底之前就基本完成了类似于“八重法”的强子分类工作,但导师对他的工作没有表现出足够的兴趣,因此迟迟没有发出预印本,也没有投稿发表。
直到1961年 2月初,当收到盖尔曼“八重法”工作的初稿预印本时,萨拉姆才意识到自己的学生的工作应该也很重要,于是催促尼曼赶快写文章和投稿。尼曼在1961年2月13日这一天将论文寄到了《核物理》编辑部,当年的8月份论文正式发表,迄今已被引用800余次。相比之下,盖尔曼的论文则收获了1900余次的引用,并因其预印本出现的日期领先尼曼投稿的日期约三周而获得学术界更广泛的认可。
图3:盖尔曼(中)与尼曼(右)。
尼曼与盖尔曼的优先权“之争”还有后话。1962年6月,两人都参加了在欧洲核子研究中心(CERN)举办的一场国际会议。当听到实验同行在报告中提及的最新强子数据后,盖尔曼和尼曼几乎同时意识到,还应该存在一个尚未被发现的新重子满足“八重法”的分类,即携带一个单位的负电荷、奇异数等于的重子(见图2的最下方)。当身为博士研究生、坐在会场后排的尼曼举手想要发言时,坐在会场最前排的盖尔曼却抢先起身,口头预言了这个新粒子 [8]。尼曼是否有补充发言,我们不得而知。但一年半后的1964年1月,果然在实验中被发现了,成为对强子分类“八重法”的有力支持。在盖尔曼看来,他获得了预言重子的优先权。只是,这样没有发表的优先权是否为优先权,读者仁者见仁智者见智吧。
茨威格。
但事情的诡异之处在于,毕德曼的这篇论文直到1965年3月才正式发表,被拖延了整整一年零三个月!德茹朱拉由此怀疑,也许是某个匿名审稿人故意为难毕德曼,使他的论文比盖尔曼的论文晚一年才得以发表。那么谁是那个“心怀叵测”的审稿人呢?世人可能永远无法知道这件事背后的真相,而当事人毕德曼已于2011年去世,享年89岁。
与毕德曼和茨威格相比,盖尔曼的老到之处还体现在他的论文致谢部分:“这些想法是我在1963年3月访问哥伦比亚大学期间形成的;我要感谢罗伯特·赛培尔(Robert Serber)教授的启发” [3]。他的弦外之音很明确:本尊的想法早在1963年春天就有了,远远早于其他人。这一切都令世人不得不将“夸克之父”的桂冠戴在盖尔曼的头上,尽管争议始终无法完全平息。
一个可能的解释是,毕德曼的论文是用法语写的,而这极大地限制了该学术成果的影响力,毕竟绝大多数物理学家不会去阅读法文期刊。事实上,毕德曼的这篇重要论文迄今为止总共只被同行引用了十几次!假如当初毕德曼选择用英语而不是法语撰写自己的论文,并将论文投稿到随便哪家英文期刊上,或许他就能成为“官方”而不是“民间”认可的“夸克之父”?
真相可能远比后人的猜测要复杂得多。值得注意的是,毕德曼在他的论文中所署的工作地址为欧洲核子研究中心,而当时茨威格恰好也在那里工作。令人疑惑的是,既然他们二人都在CERN理论部上班,难道他们彼此互不相识、也从来没有交流过各自对于强子结构及其分类的想法?对此我们不得而知,但至少可以发现,盖尔曼和茨威格后来在任何场合都从来没有提及和引用过毕德曼的相关论文,甚至毕德曼本人似乎也不曾为自己的论文被埋没而抱怨过。也许毕德曼是个性格孤僻的学者,对宣传自己的研究成果意兴阑珊?
毕德曼、盖尔曼和茨威格等人在建立夸克模型之初,只假设自然界存在三种夸克,它们被命名为上夸克、下夸克和奇异(strange)夸克。1964年,美国物理学家詹姆士·比约肯(James Bjorken)和谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)在《物理快报》发表了一篇论文,预言了第四种夸克存在的可能性,并将它命名为“粲”(charm)夸克 [13]。10年之后的1974年11月,华裔美国物理学家丁肇中和美国科学家伯顿·里克特(Burton Richter)通过各自领导的高能物理实验分别独立地发现了粲夸克 [14、15]。1977年,美国实验物理学家利昂·莱德曼(Leon Lederman)在费米实验室发现了第五种夸克,即“底”(bottom)或“美”(beauty)夸克 [16]。1995年,第六种夸克也在费米实验室被发现了,它就是标准模型中最重的粒子——“顶”(top)夸克 [17、18]。
至此夸克模型就完备了。
作者简介:
邢志忠,中国科学院高能物理研究所研究员,研究领域为基本粒子物理学。著有原创科普图书《中微子振荡之谜》,译著包括《你错了,爱因斯坦先生!》《改变世界的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个人偶尔离谱并不难,难的是一辈子都不怎么靠谱。”
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