試析蓋爾曼—博學多才特立獨行的物理學家

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文標簽:物理教育論文
論文作者: 程民治
上傳時間:2010/12/14 15:21:00

  論文關鍵詞:蓋爾曼 奇異量子數 八重法 誇竟模型
  論文摘要:本文就蓋爾曼的成長歷程、生平業績、非凡的直覺以及獨特的科研風格作一簡要介紹.旨在紀念“誇克模型”創立40周年,籍以弘揚蓋爾曼精湛的科學方法和偉大的科學精神.
  默裏·蓋爾曼(Murray Gell-Mann, 1929-)因對基本粒子的分類及其相互作用方面的卓越貢獻,特別是他提出的“誇克”粒子模型,開辟了人類對物質結構認識的新紀元,從而使他榮膺了1969年度諾貝爾物理學獎,成為粒子物理學界一名當之無愧的頂尖人物.甚至有人譽他為愛因斯坦的繼承人之一現就他的成長歷程、探索足跡與顯赫的成果,以及他敏銳的直覺、與眾不同的科研風格作一簡要的論述.
  1出身於書香門第的科學大師
  1929年9月15日,蓋爾曼出生於紐約的一個教授家庭.在父親和哥哥的培養和影響下,蓋爾曼的興趣非常廣泛.除了終生酷愛語言學、自然歷史和數學外,他還愛好音樂和娛樂,喜歡滑雪,登山旅行;對待生活他敢於冒險和挑戰;特別值得一提的是他還是一個癡迷的鳥類觀察者,曾漫遊大半個世界去尋找研究觀察了數百種鳥類.
  蓋爾曼從小就顯示出超人的智慧,常被人們稱為奇才.在他只有8歲時,就獲得過一筆獎學金,以優異的成績從一家地方公立學校升人紐約的一所高級學校.蓋爾曼19歲就畢業於耶魯大學,1951年在麻省理工學院獲哲學博士學位,並成為普林斯頓大學高級研究院的科研人員.1953年到芝加哥大學任講師,加人了以費米(EnricoFermi )為核心的研究集體之中.1955年他受聘於加州理工學院,任理論物理學副教授,一年後晉升正教授.因此,蓋爾曼是位很早就顯露頭角的科學家.
  2新的量子數—奇異數的引入
  對奇異量子數的研究是蓋爾曼的主要貢獻之一在20世紀40年代末50年代初,研究人員在宇宙線和大型加速器實驗中發現了一批具有新奇特性而當時又無法解釋的粒子.為了揭示這些粒子的奇特性一一產生快(10- 2` s)、衰變慢(10),並總是協同產生,非協同衰變.蓋爾曼和日本的西島和彥分別於1953年和1955年各自獨立地提出了奇異量子數的概念,並創立了解釋上述粒子奇異性的蓋爾曼一西島法則.奇異數方案指出,不同的粒子具有不同的奇異數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,反粒子與相應粒子的奇異數符號相反,光子、n介子和核子的S=0,輕子沒有奇異數.蓋爾曼指出,在強相互作用中,奇異數是守恒的.即凡是能夠實現的強作用過程,反應前後奇異數的代數和是不變的.這就解釋了為什麽奇異粒子的衰變不能由強作用引起以及非奇異粒子的碰撞中奇異粒子為什麽會成對產生.蓋爾曼還證明了在電磁相互作用中奇異數也是守恒的,而在弱相互作用中奇異數不守恒.
  奇異數方案的提出,標誌著粒子物理學發展的一個新階段.它為介子、核子和超子的分類提供了一個重要的規則.它不僅成功地解釋了奇異粒子的行為,而且預言了一些後來陸續為實驗所證實的新的奇異粒子(如彭超子)的存在.奇異數守恒定律已成為粒子物理學中的一個基本定律.
  3優美簡潔的八重法理論的創立
  1961年在奇異數守恒定律的基礎上,蓋爾曼又提出了SU<3>對稱性.對當時人們從實驗中發現的大量的強子,進行了有秩序、有規律的描述.1962年,蓋爾曼和以色列物理學家內曼(Neemann)分別獨立提出了“八重態”的分類方法,它的得名乃是由於每8個粒子能填人SU<3>群的8維表示中.他們假設,8個質量最小的重子(質子、中子及其激發態):2個核子,3個乏超子,2個三超子及1個n超子,構成一個.‘超多重態”.就像是一個八角形,8個粒子分處各個頂點.這8個重子,自旋都是1 /2,宇稱均為正值,質量相近.只是電荷不同、同位旋不同、奇異數不同,如圖1所示.從圖中我們不難發現,這8個粒子的排列是井然有序的,其縱坐標為y,橫坐標為1(同位旋分量).從排列上可以看出一定的規律.即從左上向右下的方向,同一直線上的粒子電荷數相同;沿水平方向向右,同一直線上粒子的奇異數(或超荷)相同.據此,蓋爾曼在他的八重法方案的報告中指出:“八重法:一個強作用對稱性的理論”,並以“重子和介子的對稱性”作為該方案正式公開發表的論文的標題.
试析盖尔曼—博学多才特立独行的物理学家
  蓋爾曼打算用八重態方法把所有新的粒子和新的量子數都綜合進來.按照這一方法,還可以把當時已知的9個重子共振態排列成“十重態”的對稱圖形.圖2中實心圓圈表示的是4個△粒子、3個激發態粒子、2個三‘粒子所處的位置,惟有A點是一個空心圓圈,即表示當時尚未發現的粒子.從這個圖形的對稱性出發,可以推出處在十重態尖端空位A點上這個粒子的特性.1962年,蓋爾曼在歐洲核子中心的會議上預言了這第十個粒子,即“失蹤了的”粒子—n粒子,它的電荷Q=一1,奇異數1964年,人們在美國布魯克海文實驗室發現了n粒子,並與蓋爾曼的預言完全吻合.正是這個失蹤的粒子,對蓋爾曼的八重態方法予以了有力的支持.運用蓋爾曼這一模型可以把已知的全部基本粒子歸類,並且還給未發現的粒子預留了位置,其中包括磁單極子、引力子和中間玻色子.
试析盖尔曼—博学多才特立独行的物理学家

  4神奇奧妙的誇克模型的提出
  1964年,蓋爾曼在阪田模型和“八重法”的基礎上,進一步提出了更復雜的模型.他認為強子並不是最基本的粒子,而是由更小的粒子組成.他於這一年的2月在歐洲《物理學快報》上發表了一篇論文,題為“重子和介子的一個簡略模型”宣稱:“如果允許我們設想重子與介子的強相互作用能借助‘強子八重態’正確地描繪出來,我們就得尋求這一狀況的某些更基本的解釋.”於是蓋爾曼設想SU(3>基本表示的三重態應為3種誇克:上誇克u(up),下誇克d ( down)和奇異誇克子由3個誇克組成,介子由一個誇克和一個反誇克組成.誇克都是兩兩成對或三三成群,永遠不可能單獨地被觀測到.它們之間的結合是靠交換膠子,膠子就相當於誇克間相互作用的量子,它們的作用和電磁相互作用中的光量子一樣.誇克模型的提出,標誌著現代物理學發展的一個重要裏程碑.它不僅圓滿地解釋了八重法理論為什麽能夠成功地對粒子進行分類,給出了SU(3>對稱性的物理基礎,而且使奇異數和同位旋有了更深刻的意義,如一個粒子的奇異數就是包含在它內部的奇異誇克S的數目.
  誇克理論後來因實驗事實的不斷補充而得到了長足的發展.如聚誇克c ( charm )、底誇克b( bottom)和頂誇克t(top)的相繼提出.每種誇克具有3種顏色(紅、黃、綠)的自由度.隨著6種誇克的存在相繼全部為實驗所證實,現今物理學工作者已確信誇克和輕子層次是目前人類所達到的一個基本物理層次.這無疑又從另一個方面顯示了蓋爾曼誇克模型的重要地位. 免費論文下載中心 http://www.hi138.com   此外,蓋爾曼還從事了其他重要課題的研究,並在諸如色散關系、一矩陣理論、重正化群的理論和流代數理論等領域都作出了傑出的貢獻.為量子色動力學、弱作用的唯象理論以及弱電統一理論等的創立和發展開辟了道路.與此同時,蓋爾曼還對美國的教育、科學與宗教、科學和藝術、不斷增長的人口問題以及日趨惡化的自然環境等方面都公開發表過自己獨到的精辟見解.
  5敏銳的直覺和獨特的科研風格
  蓋爾曼不僅以各種卓越的貢獻著稱於世,而且還以他敏銳而深刻的物理直覺和“離經叛道”的科研風格令人嘆為觀止.
  首先,蓋爾曼擅長從語言藝術中吸取養分,用豐富的隱喻對物質世界進行思考,建立直覺聯系,進而提出科學概念.例如,上文所述的基本粒子的分類方案—8重法,就是蓋爾曼依據佛教關於8種正確的生活方式才能免遭痛苦的勸說而命名的.其原文是佛祖釋迎牟尼的篇言:“兄弟們,世間有解脫苦難的真諦,即八正道”.又如,1964年蓋爾曼在給組成強子的3種基本粒子取名字時,盡管他日思夜想,傷透了腦筋,但卻一時難以找到一個合適的術語.後來在休息時,他隨手翻閱了20世紀以來的怪誕百科全書,出乎意料地從伊朗作家詹姆斯·喬伊斯(Jonnes Joyes)的長篇小說《芬尼根徹夜祭》中發現了“誇克”這個名詞,小說中有這樣一段詩句:
     “誇克……誇克……誇克……
     三五海鳥把脖子伸直,
     一起沖著紳士馬克.
     除了三聲‘誇克’,
     馬克一無所得;  
     除了冀求的目標,
     全部都歸馬克.”

  在這裏,“誇克”是海鷗的叫聲,而“誇克”的德文原意卻是社會底層人物吃的帶臭味的軟乳酪.蓋爾曼立即在“誇克”與“基本粒子”之間建立了直覺的聯系,他頓悟到,他只需要3種不同的誇克子,就能利用它們的組合來構成所有已知的強子.基本粒子物理學中的3種誇克,其實質是完全相同的.只是由於不同的相互作用才使它們出現了一些差異,因而它們好比是同樣的粒子穿著不同的服裝.“誇克”的藝術喻意是同樣的東西具有不同的顏色與味道,而這與誇克的物理性質相吻合!科學界認為這一語言上的突破就像“能量子”在物理學上的突破一樣重要.1969年,蓋爾曼獲得了諾貝爾獎.當然,蓋爾曼給這些粒子起了“誇克”這麽奇隆的名字,也許與他厚實良好的語言學素養及其原本是一個鳥類愛好者不無關系.
  第二,弗蘭西斯·培根指出:“沒有任何極致之美,在其結構中不會呈現任何奇異性.”如果按照這句話來評判蓋爾曼提出的用於描述介子和超子新奇特性的量子數S,它就充斥著奇異美.另外,蓋爾曼創立的“八重法理論”,完全相當於粒子物理學中的“周期表”,呈現出高度有序的對稱性美.用蓋爾曼自己的話來說,構造了“一個簡單而優美的方案”.因此,蓋爾曼被科學界尊稱為“20世紀的門捷列夫”.我們也完全有理由認為,崇尚和執著地追求科學美—簡單性、對稱性和奇異性,是鼓舞蓋爾曼進行科學探索的充沛源泉,幾乎支配著他的全部工作.否則,蓋爾曼不可能在阪田模型和“八重法”的基礎上,進一步創立他的滲透著奇異美的“誇克模型”.
  第三,蓋爾曼有著一絲不茍、嚴謹治學的科研風格.他喜歡通過報告、討論會和交談與其他物理學家交流思想,而不輕易發表文章.之所以這樣做,是因為他有一個與眾不同的觀念,就是他認為發表一個錯誤的觀點對一個人的科學生涯將留下洗不掉的汙點.他認為,一個理論學家的洞察力將由他所發表的正確觀點數目減去錯誤的數目,甚至減去兩倍的錯誤數目來衡量.因此,他發表論文總是慎之又慎,經常將他的觀點推遲一年半載後才發表出來,甚至永不發表.如他的一些重要工作只是作為預印報告成為原始文獻的.甚至在各年諾貝爾獎的紀念專刊中,至今還有一頁空白—那是因為蓋爾曼一直沒有交出演講稿而特意為他留下的.
  由於蓋爾曼的傑出的科學貢獻,使他曾先後榮獲了多種獎勵和榮譽.除諾貝爾物理學獎之外,他分別於1959年、1966年、1967年和1968年先後獲得了美國物理學會的丹尼·海涅曼(Dannie Heineman)獎、美國原子能委員會頒發的E. U.勞倫斯(Lawrence)物理學獎、費城富蘭克林學院的富蘭克林獎章以及美國科學院的J. J卡蒂(Carty)獎章.他是美國科學院院士,並是美國文理科學院的成員.他曾在尼克松總統科學顧問委員會工作過.他還是倫敦皇家學會的外籍成員以及法國物理學會的榮譽成員.他還被許多大學授予榮譽科學博士.
  作為“誇克之父”的蓋爾曼,現已進入古稀之年—75歲高齡.但他仍在粒子物理學界傲視群雄.他的幾句至理名言,道出了科學和傳奇以及生活本身的困惑,而這也恰恰是貫穿本文的一條主線:
  “在我們的工作中,我們總是處於進退兩難的窘境之中;我們可能會不夠抽象,並錯失了重要的物理學;我們也可能過於抽象,結果把我們模型中假想的目標變成了吞噬我們的真實的怪物.” 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
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