物質(zhì)探微的發(fā)展史

物質(zhì)探微的發(fā)展史第1頁(yè)/共67頁(yè)參考教材：陸埮（tan）羅遼復(fù)編寫(xiě)的《物質(zhì)探微.從電子到夸克》主要內(nèi)容有如下幾個(gè)章節(jié)第2頁(yè)/共67頁(yè)1、建造世界（物質(zhì)）的磚石3、奇異粒子（一批不速之客）4、鏡子理得世界5、短命的共振子6、粒子的內(nèi)部8、走向統(tǒng)一2、粒子物理學(xué)的誕生0、緒論第3頁(yè)/共67頁(yè)緒論（上）

探粒子之微物理學(xué)不會(huì)停留在原子物理學(xué)的層次上。在原子物理學(xué)的基本問(wèn)題獲得解決以后，物理學(xué)就走向原子核物理學(xué)。第4頁(yè)/共67頁(yè)一、中子的發(fā)現(xiàn)1930年，居里夫人的女婿和女兒約里奧·居里夫婦用高速度的氦核打擊鈹原子核，發(fā)現(xiàn)了一種新的穿透本領(lǐng)極強(qiáng)的射線。約里奧·居里夫婦用高能量的光子即射線來(lái)解釋?zhuān)淠芰恐螅惡鯇こ?，竟高達(dá)40～50Mev（電子伏特）之多?，F(xiàn)刀已用于外科手術(shù)。約里奧·居里夫婦第5頁(yè)/共67頁(yè)查德威克發(fā)現(xiàn)中子盧瑟福的學(xué)生，英國(guó)物理學(xué)家查德威克（J.Chadwick)猜想這可能是中子，因?yàn)楸R瑟福的氫原子模型中的電子，將最后掉在質(zhì)子里面，形成和質(zhì)子質(zhì)量差不多大小的中子。1932年，查德威克做了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，證明了這一穿透本領(lǐng)極大的射線，確實(shí)是質(zhì)量比質(zhì)子略大的、中性的不帶電的新粒子，亦即中子。查德威克因發(fā)現(xiàn)中子而獲1935年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第6頁(yè)/共67頁(yè)質(zhì)子＋中子＝原子核中子的出現(xiàn)立即受到所有核物理學(xué)家的歡迎，伊凡寧科（Ivanenko）和海森堡（W.K.Heisenberg）提出了原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的原子核結(jié)構(gòu)理論。因?yàn)橹凶拥奶攸c(diǎn)是不帶電并且和質(zhì)子具有相同的自旋，這就可用這一模型完滿地解釋原子核所具有的自旋，解釋為什么自然界可以有原子序數(shù)相同但質(zhì)量卻不盡相同的同位素。原子結(jié)構(gòu)示意圖海森堡第7頁(yè)/共67頁(yè)中子成為轟擊原子核的炮彈由于中子不帶電，中子可以自由地打進(jìn)任何帶電的原子核，物理學(xué)家們就得到一種效率更高的打碎原子核的炮彈。1934年，意大利物理學(xué)家費(fèi)米(E.Fermi)用中子轟擊元素周期表中的元素原子，于是，便發(fā)現(xiàn)了超軸元素；這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是原子時(shí)代的真正起點(diǎn)，費(fèi)米因此而榮獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1938－1939年，哈恩和邁特納等人發(fā)現(xiàn)了核裂變；接著人們還發(fā)現(xiàn)了中子的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；1942年，費(fèi)米利用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理建立了第一個(gè)能產(chǎn)生原子能的反應(yīng)堆。核裂變核原應(yīng)堆第8頁(yè)/共67頁(yè)第一顆原子彈的爆炸1942年，曼哈頓工程：第一顆原子彈的研究工作拉開(kāi)序幕。一大批物理學(xué)家、工程技術(shù)人員在位于美國(guó)新墨西哥州一個(gè)叫洛斯－阿拉莫斯的荒涼高地上秘密進(jìn)行。美國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W本海默（J.R.Oppenheimer）任實(shí)驗(yàn)室主任。1945年，原子彈之父奧本海默等人利用中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)爆炸了第一顆原子彈。日本廣島：一片廢墟放射性愛(ài)因斯坦與奧本海默第9頁(yè)/共67頁(yè)比原子彈威力更大的氫彈（泰勒）氫的核反應(yīng)氫彈的爆炸當(dāng)量在數(shù)百萬(wàn)噸TNT炸藥氫彈之父：泰勒第10頁(yè)/共67頁(yè)和平衛(wèi)士原子彈的威懾力使得全面禁止和徹底銷(xiāo)毀核武器，成為當(dāng)代有關(guān)和平和發(fā)展問(wèn)題中國(guó)際人士所最為關(guān)心的重大國(guó)際問(wèn)題。第11頁(yè)/共67頁(yè)中國(guó)的原子彈事業(yè)的發(fā)展1946年，我國(guó)科學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧，發(fā)現(xiàn)了軸原子核的三分裂和四分裂的現(xiàn)象。1964年，我國(guó)成功研制了原子彈；1967年，我國(guó)成功研究了氫彈；成就了中國(guó)的大國(guó)地位，也緩減了核威懾。中國(guó)原子彈之父：鄧家稼中國(guó)氫彈之父：于敏第12頁(yè)/共67頁(yè)中國(guó)廣東大亞灣核電站第13頁(yè)/共67頁(yè)二、中微子的發(fā)現(xiàn)1928年，伽莫夫根據(jù)量子力學(xué)所必然蘊(yùn)含的勢(shì)壘穿透效應(yīng)，滿意地解釋了α粒子的衰變現(xiàn)象。但是，β衰變現(xiàn)象卻不易理解。β衰變的結(jié)果是原子核將增加一個(gè)新電荷！如何理解β衰變現(xiàn)象？物理學(xué)家一籌莫展。伽莫夫第14頁(yè)/共67頁(yè)中子發(fā)現(xiàn)以后，海森堡推測(cè)，β衰變可能是原子核中的中子放出電子后，本身卻轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子的過(guò)程。但是，海森堡立即發(fā)覺(jué)這一想法并不恰當(dāng)。因?yàn)槿绻滤プ儸F(xiàn)象中，中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子的話，那么所釋放出的電子的能量一定是確定的，而實(shí)驗(yàn)上所測(cè)到的電子能量卻是連續(xù)分布的，這和能量守恒定律相矛盾。質(zhì)子、中子、電子也有確定的自旋，所以，中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子加電子的假說(shuō)，也和角動(dòng)量守恒的定律發(fā)生沖突。W.Heisenberg第15頁(yè)/共67頁(yè)面對(duì)這種理論上的困難，玻爾甚至悲觀地認(rèn)為，在原子核內(nèi)部，能量守恒定律、角動(dòng)量守恒定律甚至量子力學(xué)可能都不成立！NilesBohr第16頁(yè)/共67頁(yè)泡利提出中微子假說(shuō)1931年，泡利（W.Pauli)提出中微子假說(shuō)，指出β衰變不僅放出一個(gè)電子，而且同時(shí)放出一個(gè)和電子自旋相同、沒(méi)有靜止質(zhì)量、沒(méi)有電荷的中性粒子，這就能同時(shí)滿足能量守恒定律和角動(dòng)量守恒定律。中微子的質(zhì)量既然如此之小，又看不見(jiàn)，摸不著，就產(chǎn)生了一大疑問(wèn)：這是真的，還是假的？中微子的存在，需要實(shí)驗(yàn)上的支持。泡利

WOLFGANGPAULI

(1900-1958)第17頁(yè)/共67頁(yè)實(shí)驗(yàn)證明中微子存在！1941年，我國(guó)物理學(xué)家王淦昌在浙江大學(xué)（那時(shí)正值抗日戰(zhàn)爭(zhēng)，浙江大學(xué)搬遷到貴州省遵義市）寫(xiě)了一篇短文，建議用Be7的K層電子的俘獲現(xiàn)象來(lái)檢驗(yàn)中微子的存在性，指出如存在著中微子，那么K俘獲后的子核Li7將必然具有能量為57eV的單能的反沖?？上У氖?，由于正值抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，物質(zhì)條件十分困難，王淦昌無(wú)法親自進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)。第18頁(yè)/共67頁(yè)實(shí)驗(yàn)證明中微子存在！中微子的存在，不僅在原子核物理的研究中有著重要的意義，而且在宇宙論的研究中，起著十分重要的與基本的作用。1942年，阿侖按照王淦昌的建議做了這一實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)上存在不少技術(shù)問(wèn)題，直到1952年，才最后測(cè)到Li7的反沖能量是（55.9±1.0）eV，這和理論預(yù)言值（57.3±0.5）eV符合?！笆昴ヒ粍Α保形⒆拥拇嬖谛?，才最終得到證明。第19頁(yè)/共67頁(yè)三、正電子的發(fā)現(xiàn)薛定諤和海森堡的量子力學(xué)是在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上，貫徹“波粒二象性”的原則，亦即實(shí)現(xiàn)量子化的方案而建立的。由于狹義相對(duì)論的出現(xiàn)，牛頓力學(xué)已發(fā)展成為相對(duì)論的力學(xué)，因而量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，必然是量子論和狹義相對(duì)論的相結(jié)合。第20頁(yè)/共67頁(yè)狄拉克方程預(yù)言的反粒子的存在！1928年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克（P.Dirac）,首先實(shí)現(xiàn)了相對(duì)論力學(xué)方程的量子化，這也就是著名的狄拉克方程。狄拉克獲1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。狄拉克方程的出現(xiàn)，首先更完滿地解釋了氫原子的光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)，也解釋了重原子中X射線光譜中的許多疑難。狄拉克方程更重要的成就，是在理論上預(yù)言了反粒子的存在。狄拉克

PAULDIRAC

(1902-1984第21頁(yè)/共67頁(yè)狄拉克方程預(yù)言的反粒子的存在！也就是說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)上除了已觀察到各種正粒子如電子、質(zhì)子、中子等粒子外，根據(jù)狄拉克方程，就一定存在著正電子、反質(zhì)子、反中子等新的“基本”粒子。這是一個(gè)大膽的預(yù)言。然而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)上并未發(fā)現(xiàn)有這類(lèi)反粒子，因而狄拉克的預(yù)言，就成為許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家嘲笑的對(duì)象。第22頁(yè)/共67頁(yè)狄拉克與正電子的故事?lián)疤K聯(lián)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家卡皮察回憶，在當(dāng)時(shí)的劍橋大學(xué)的學(xué)術(shù)討論會(huì)上，不論討論什么科學(xué)主題，在會(huì)議結(jié)束前，總有人站起來(lái)說(shuō)：“狄拉克，你的正電子在哪里？”最后就轟然一笑而散。狄拉克為的擺脫這一窘境，便放出風(fēng)聲說(shuō)，他所預(yù)言的正電子，就是質(zhì)子。實(shí)際上，狄拉克很清楚，這一正電子必須和電子具有相同的質(zhì)量。第23頁(yè)/共67頁(yè)趙忠堯的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)1930年，我國(guó)核物理學(xué)家趙忠堯在測(cè)量光子在物質(zhì)中的散射截面時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種反常的輻射峰。實(shí)際上，這是由于光子在物質(zhì)中已產(chǎn)生了正電子，這一正電子進(jìn)一步和電子發(fā)生湮滅現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)化為2個(gè)光子。由于電子和正電子的靜止質(zhì)量都是0.51MeV，所以在實(shí)驗(yàn)上就看到在0.5MeV能量左右的輻射峰。第24頁(yè)/共67頁(yè)正電子、反質(zhì)子、反中子…的發(fā)現(xiàn)1932年，安德森（C.Anderson)在宇宙線里發(fā)現(xiàn)了正電子，表明確實(shí)存在一個(gè)光子轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)的現(xiàn)象。1955年，塞格里和張伯倫合作發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，1956年，又發(fā)現(xiàn)了反中子；1960年，王淦昌、丁大釗等人又發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負(fù)超子Ω……于是，在“基本”粒子的隊(duì)伍中，就出現(xiàn)了一個(gè)新的家族－－反粒子家族。第25頁(yè)/共67頁(yè)四、μ子的發(fā)現(xiàn)隨著中子的發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)中子和原子核有極強(qiáng)的相互作用。實(shí)際上，這意味著中子和質(zhì)子、中子和中子還有質(zhì)子和質(zhì)子之間，出現(xiàn)了一種新的相互作用，即強(qiáng)相互作用。這一相互作用的特點(diǎn)是：1.其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常的電磁相互作用，約是電磁作用的103倍。2.其力程特短，大約只有10－13～10－12厘米的范圍，超出這一范圍外，其相互作用力以指數(shù)函數(shù)的形式而迅速降低到零。第26頁(yè)/共67頁(yè)湯川秀樹(shù)的π介子為了解釋中子和質(zhì)子間出現(xiàn)的“核力”所具有的特點(diǎn)，1935年，日本著名物理學(xué)家湯川秀樹(shù)（YukawaHideki)提出了一個(gè)“創(chuàng)造性”的想法，認(rèn)為這一核力的本質(zhì)，在于在中子和質(zhì)子間“交換”了一種其質(zhì)量約是電子的200多倍、但尚未發(fā)現(xiàn)的“介子”，或稱(chēng)為π介子。第27頁(yè)/共67頁(yè)湯川秀樹(shù)的π介子這一解釋自然是十分奇特的，也是令人難以置信的。難道真的發(fā)現(xiàn)了π介子？但是過(guò)了兩年，即1937年，安德遜等人竟然在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量約為電子200多倍的“介子”！于是，湯川的理論“預(yù)見(jiàn)”就成為轟動(dòng)一時(shí)的新聞，湯川本人也因此獲得1949年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第28頁(yè)/共67頁(yè)不是π介子、原來(lái)是μ輕子！然而，事實(shí)上，不久即發(fā)現(xiàn)，這一“介子”并不是湯川所預(yù)言的π介子，因?yàn)檫@一“介子”并不像人們所期待的那樣，將和核物質(zhì)具有很強(qiáng)的相互作用。相反，這一“介子”除了有和核物質(zhì)的電磁作用外，還有遠(yuǎn)比電磁作用還弱的弱相互作用，其微弱的程度約是10－10！第29頁(yè)/共67頁(yè)不是π介子、原來(lái)是μ輕子！后來(lái)進(jìn)一步的研究表明，這一粒子根本不是介子家族的成員，而是應(yīng)稱(chēng)為μ輕子，并和電子、中微子等粒子組成一個(gè)新的家族，即輕子族。這一輕子族有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：滿足輕子數(shù)守恒的定律。第30頁(yè)/共67頁(yè)歷史的誤會(huì)！湯川介子，亦即π介子，直到1947年，亦即在12年后，才在宇宙線和加速器中發(fā)現(xiàn)，但在這期間，人們一直把μ子當(dāng)作π介子，這純屬“歷史的誤會(huì)”！μ子的發(fā)現(xiàn)當(dāng)然是富有戲劇性的。但是我們之所以著重介始有關(guān)μ子發(fā)現(xiàn)的這些戲劇性的情節(jié)，還因?yàn)棣套訛樵雍嗽S多性能的研究，開(kāi)拓了新天地。第31頁(yè)/共67頁(yè)μ子：登月宇航員μ子，由于它本身帶負(fù)電，而又質(zhì)量較重，因而極易為原子核所俘獲，形成μ子原子。通過(guò)μ子和原子核的相互作用，人們可研究原子核的許多性質(zhì)。有些人將此喻作好象是派遣了一位登月宇航員去月球考察。第32頁(yè)/共67頁(yè)張文裕的“反?！痹拥陌l(fā)現(xiàn)1950年，我國(guó)著名物理學(xué)家張文裕在宇宙線中觀察到一種能量比較確定的輻射，這種輻射被稱(chēng)為張氏輻射。后來(lái)經(jīng)進(jìn)一步的研究，發(fā)現(xiàn)這一特殊的輻射是由于μ子被碳原子俘獲而成為μ子原子，這一輻射即是在形成這一原子時(shí)所放出的特殊輻射。張文裕的這一發(fā)現(xiàn)，還開(kāi)拓了一個(gè)新領(lǐng)域：“反常”原子的研究。第33頁(yè)/共67頁(yè)五、奇異粒子的發(fā)現(xiàn)1947年，英國(guó)物理學(xué)家鮑威爾在宇宙線中用核乳膠發(fā)現(xiàn)了π介子，并發(fā)現(xiàn)π介子衰變了一個(gè)μ子加某個(gè)中性粒子，亦即μ中微子。這就最終澄清了這一爭(zhēng)議達(dá)12年之久的π-μ疑難。1947年，羅徹斯特和巴特勒在宇宙線中發(fā)現(xiàn)了形如英文字母“V”的粒子。由于這一“V”形的夾角較大，很難用正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生來(lái)解釋?zhuān)蚨聹y(cè)可能是某種新粒子，而且其實(shí)驗(yàn)上測(cè)得的可能具有的質(zhì)量范圍已很難用已知粒子來(lái)解釋。第34頁(yè)/共67頁(yè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩類(lèi)V粒子1949－1950年，安德森和當(dāng)時(shí)是青年物理學(xué)家的肖健進(jìn)一步用云霧室在宇宙線中收集到較多的實(shí)例，對(duì)這一“V”粒子的質(zhì)量、壽命等性質(zhì)作了比較仔細(xì)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這類(lèi)V粒子可分為兩類(lèi)：1.一類(lèi)是質(zhì)量比質(zhì)子質(zhì)量較大，即約為1200MeV左右的粒子；2.另一類(lèi)是質(zhì)量較輕、但比π介子重的、質(zhì)量約在500MeV左右的粒子第35頁(yè)/共67頁(yè)現(xiàn)在我們知道，前一種粒子是Λ0超子，后一種粒子是Κ0介子。后來(lái)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這兩種粒子具有某種“奇異”性，亦即它們都具有強(qiáng)相互作用，而且質(zhì)量比起它們的次級(jí)粒子，如質(zhì)子、中子、π介子等強(qiáng)作用粒子要重很多。第36頁(yè)/共67頁(yè)具有強(qiáng)相互作用的奇異子“理應(yīng)”通過(guò)強(qiáng)相互作用即能衰變成為這些“強(qiáng)子”，亦即具有強(qiáng)相互作用的粒子，但安德森和肖健等人的工作表明，這些粒子的壽命約是10－10秒的數(shù)量級(jí)，這和強(qiáng)相互作用的特征量10－23秒相差約1013倍之多！所以，人們普遍認(rèn)為，這些粒子具有一種新的量子數(shù)，亦即奇異數(shù)。這一奇異量子數(shù)的發(fā)現(xiàn)為后來(lái)人們構(gòu)造關(guān)于強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)模型、夸克模型（層子模型）等，起了重要作用。安德森和肖健等人的工作，為奇異粒子這一新概念的建立，提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第37頁(yè)/共67頁(yè)六、弱相互作用的發(fā)現(xiàn)及其基本定律的確立弱相互作用現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)始于β射線的發(fā)現(xiàn)，但那時(shí)人們并不懂得β射線是屬于粒子間的弱相互作用一類(lèi)的現(xiàn)象。1934年，費(fèi)米繼泡利提出中微子假說(shuō)以后，也提出一種有關(guān)β射線產(chǎn)生機(jī)制的解釋?zhuān)凑J(rèn)為中子通過(guò)“4費(fèi)米子弱相互作用”而衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子以及反中微子。E.Fermi費(fèi)米的β衰變的電子－中微子理論第38頁(yè)/共67頁(yè)費(fèi)米的β衰變的電子－中微子理論E.Fermi換言之，

β衰變實(shí)為質(zhì)子與中子之間的相互轉(zhuǎn)化，質(zhì)子和中子是核子的兩個(gè)不同的量子態(tài)，二者之間的相互轉(zhuǎn)化相當(dāng)于核子在不同量子態(tài)之間的躍遷，電子和中微子是躍遷的產(chǎn)物，原先并不存在于原子核內(nèi)。第39頁(yè)/共67頁(yè)弱相互作用與電磁相互作用屬同類(lèi)費(fèi)米還認(rèn)為：這一相互作用的類(lèi)型，是屬于“矢量型”的，亦即這是和電磁相互作用相類(lèi)似的一種相互作用類(lèi)型。這一類(lèi)型的相互作用，有一個(gè)重大特征，那就是“同性相斥、異性相吸”。例如，正電荷和負(fù)電荷之間相互吸引，而同樣符號(hào)的電荷卻相互排斥。第40頁(yè)/共67頁(yè)另一種與引力相互作用同類(lèi)型的相互作用在哪里？但是，從理論上說(shuō)，還可以存在另一些相互作用形式，如“標(biāo)量型”和“張量型”。這類(lèi)相互作用的特點(diǎn)，不僅“異性相吸”，而且“同性也相吸”。如萬(wàn)有引力就是屬于“標(biāo)量型”和“張量型”，正粒子和反粒子以及它們之間的相互作用力，都相互吸引。第41頁(yè)/共67頁(yè)對(duì)于弱相互作用的認(rèn)識(shí)費(fèi)米子認(rèn)為弱相互作用是“矢量型”式“贗矢型”的，當(dāng)然也有人認(rèn)為是“標(biāo)量型”的或“張量型”的，還可以是“贗標(biāo)型”的。從1935－1955年，整整一代的研究β衰變現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，其工作中心就是要確定：1.這一相互作用的強(qiáng)弱，亦即測(cè)定它們的耦合常數(shù)的大小；2.確定它們是“同性相斥、異性相吸”，還是“同性相吸，異性也相吸”。第42頁(yè)/共67頁(yè)K介子之“謎”＝－τ之“謎”1956年，由于對(duì)新發(fā)現(xiàn)的奇異粒子的各種奇異行為的數(shù)據(jù)積累，人們注意到K介子之“謎”！這些K介子有近乎相等的質(zhì)量和相同的壽命，但卻具有“相反”的宇稱(chēng)。按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，（≡＋）的宇稱(chēng)將是正，而（≡τ＋）的宇稱(chēng)卻是負(fù)。這就提出一個(gè)深刻的理論問(wèn)題，為什么兩個(gè)宇稱(chēng)相反的粒子，卻會(huì)具有相同的壽命和質(zhì)量？第43頁(yè)/共67頁(yè)弱相互作用下宇稱(chēng)不守恒的發(fā)現(xiàn)李政道和楊振寧深入地研究了這一假說(shuō)，并在1956年5月得出結(jié)論：1.過(guò)去做過(guò)的關(guān)于弱相互作用的實(shí)驗(yàn)實(shí)際上與宇稱(chēng)守恒問(wèn)題并無(wú)關(guān)系；2.在電磁和強(qiáng)相互作用方面，確有許多實(shí)驗(yàn)以高度準(zhǔn)確性確立了宇稱(chēng)守恒定律，但準(zhǔn)確度仍不足以揭示在弱相互作用下宇稱(chēng)守恒或不守恒。對(duì)稱(chēng)破缺：李政道和楊振寧第44頁(yè)/共67頁(yè)激動(dòng)人心的1956年！李政道和楊振寧在1956年夏天建議進(jìn)行涉及β衰變、π–μ、μ–e及奇異粒子的一系列實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證宇稱(chēng)是否守恒。1957年，吳健雄及其合作者按照他們的建議首先從鈷的β衰變的實(shí)驗(yàn)中，證明了在弱相互作用下，宇稱(chēng)的確不守恒。這就為弱相互作用的研究開(kāi)拓了正確的道路。1957年，李政道和楊振寧同時(shí)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。上帝的鞭子：泡利（W.Pauli)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的第一夫人：吳健雄第45頁(yè)/共67頁(yè)弱電統(tǒng)一的前奏！由于宇稱(chēng)不守恒定律的發(fā)現(xiàn)，加上在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，馬夏克和蘇達(dá)香提出了普適費(fèi)米型的弱相互作用理論，指出“矢量型”和“贗矢型”的耦合是弱相互作用的主要型式。由于弱相互作用和電磁相互作用，均同屬于“矢量型”的相互作用，從而為后來(lái)的弱電統(tǒng)一理論提供了前提。第46頁(yè)/共67頁(yè)我國(guó)物理學(xué)家在這一領(lǐng)域的貢獻(xiàn)！我國(guó)學(xué)者周光召、朱洪元、何祚庥等在普適費(fèi)米型弱相互作用方面做了有價(jià)值的工作。周光召首先指出通過(guò)張文裕所發(fā)現(xiàn)的μ子原子的吸收效應(yīng)的研究，將能獲得有關(guān)矢量型相互作用的修正項(xiàng)亦即弱磁效應(yīng)的許多知識(shí)，以及贗矢項(xiàng)的修正項(xiàng)亦即贗標(biāo)項(xiàng)的許多知識(shí)。第47頁(yè)/共67頁(yè)緒論（下）走向更深入的認(rèn)識(shí)！從20世紀(jì)30年代到50年代，人們所取得的成就是：一方面確立了物質(zhì)構(gòu)成的基元亦即“基本”粒子；另一方是發(fā)現(xiàn)了這些粒子間的相互作用，如電磁相互作用、弱相互作用和強(qiáng)相互作用。這就促使人們更深入地追求這些相互作用，亦即場(chǎng)的本質(zhì)。第48頁(yè)/共67頁(yè)一、“基本”粒子是一個(gè)大家族到了20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家們倡議用加速器大量產(chǎn)生“基本”粒子，以便深入研究它們的性質(zhì)和相互作用，并且還陸續(xù)建造了若干探測(cè)粒子的新儀器、新工具。這樣一來(lái)，在“基本”粒子家族的名單上，就一下子增加了許多新的成員，如ρ、ω、η、Δ……這些粒子有一個(gè)特點(diǎn)，那就是它們的壽命極短，只有10－23秒左右。這些粒子產(chǎn)生后，以光速c飛行，即使“窮其一生”，所能飛行的距離也只是：3×1010×10－23＝3×10－13厘米。亦即比原子核的半徑還要小！所以，這些粒子在宇宙線中是“看不見(jiàn)”的。第49頁(yè)/共67頁(yè)二、“基本”粒子是否基本？從1950年到1964年，這類(lèi)共振粒子以及“穩(wěn)定”粒子先后共發(fā)現(xiàn)了200多個(gè)。這就引起人們的疑問(wèn)：難道這些數(shù)量達(dá)到200多個(gè)的粒子，都是“基本”粒子？至少，這類(lèi)壽命極短的（一般為10－23秒）并且是數(shù)量最大的、由強(qiáng)相互作用占主要地位的粒子，是“基本”粒子嗎？“基本”粒子是否基本？隨著20世紀(jì)50－60年代的粒子物理學(xué)大發(fā)展，就不斷地成為一些粒子物理學(xué)家思考著的問(wèn)題。第50頁(yè)/共67頁(yè)1、費(fèi)米和楊振寧的質(zhì)疑費(fèi)米和楊振寧可以說(shuō)是首先對(duì)“基本”粒子提出質(zhì)疑的“第一人”。1949年，費(fèi)米和楊振寧合寫(xiě)了一篇《介子是基本粒子嗎？》的文章，嘗試用質(zhì)子和反質(zhì)子、中子和反中子等來(lái)解釋?duì)薪樽?。也就是說(shuō)，費(fèi)米—楊振寧模型滿足SU（2）對(duì)稱(chēng)性，認(rèn)為π介子是由核子和反核子組成的結(jié)合態(tài)，p和n以及它們的反粒子是基本粒子，其他粒子是以此為基礎(chǔ)而被建構(gòu)起來(lái)的。第51頁(yè)/共67頁(yè)費(fèi)米－楊振寧模型的不足但這一模型不能很好地解釋奇異粒子，因?yàn)閜和n都不是奇異粒子，所以由它們也就不可能構(gòu)成奇異粒子。正如楊振寧在《憶費(fèi)米》一文中所指出：“我們并不抱任何幻想，以為我們們給出的內(nèi)容可能真的符合現(xiàn)象。事實(shí)上，我原來(lái)傾向于將此文湮沒(méi)在筆記本中不予發(fā)表。但費(fèi)米說(shuō)，學(xué)生的任務(wù)是解決問(wèn)題，研究人員的任務(wù)是提出問(wèn)題，而他認(rèn)為我們提出的問(wèn)題有發(fā)表價(jià)值。這里我可以附帶聲明，此問(wèn)題今天（1963年）仍未解決?！保ā稐钫駥幯葜v集》，南開(kāi)大學(xué)出版社，1989年版，第5頁(yè)）第52頁(yè)/共67頁(yè)2、從坂田模型到夸克模型坂田昌一可以說(shuō)是注意到“基本”粒子是否基本這一問(wèn)題的第二人。坂田昌一在他的一篇自述中說(shuō)，恩格斯的《自然辯證法》和列寧的《唯物主義和經(jīng)驗(yàn)批判主義》這兩部經(jīng)典著作使他在“內(nèi)心深處產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)烈的沖動(dòng)，想在我的真正的研究工作中實(shí)際運(yùn)用自然辯證法作為當(dāng)代科學(xué)的方法論”，這些思想“確實(shí)鼓勵(lì)了我，使我敢于同把基本粒子當(dāng)作物質(zhì)的始原的觀點(diǎn)相抗衡，集中力量以物質(zhì)的層次的觀點(diǎn)來(lái)研究復(fù)合模型”。第53頁(yè)/共67頁(yè)坂田模型的成功與不足于是，在1955年，坂田根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的強(qiáng)相互作用粒子的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律性，提出了強(qiáng)相互作用粒子亦即強(qiáng)子的復(fù)合模型。這一模型的基本思想是認(rèn)為一切強(qiáng)子都由三種更為“基本”的粒子所構(gòu)成，這三種基本粒子是質(zhì)子（p)、中子（n）和一種奇異粒子亦即Λ粒子（Λ0）。坂田模型在解釋強(qiáng)相互作用粒子或又稱(chēng)為強(qiáng)子中的介子家族（如π、Κ）的分類(lèi)和有關(guān)性質(zhì)上，是高度地獲得成功的。但是，將坂田模型應(yīng)用于研究強(qiáng)子中的重子家族，其結(jié)果卻不很理想。第54頁(yè)/共67頁(yè)三、從坂田模型到夸克模型1964年，蓋爾曼和茲韋格（GeorgeZweig，1937-）（右圖）在強(qiáng)子分類(lèi)八重法的基礎(chǔ)上分別提出了更復(fù)雜的夸克模型（相當(dāng)于基本粒子的“周期表”），他認(rèn)為中子、質(zhì)子這一類(lèi)強(qiáng)子是由更基本的單元——夸克（quark）組成的（一些中國(guó)物理學(xué)家稱(chēng)其為“層子”）?？淇伺c所有已知的亞原子粒子不同，它們帶有分?jǐn)?shù)電荷，例如：+2/3或-1/3（左圖）?？淇硕际莾蓛沙蓪?duì)、或三三成群，不可能單獨(dú)被觀測(cè)到。它們之間的結(jié)合是靠交換膠子，這就是著名的夸克模型?！翱淇恕币辉~是蓋爾曼從喬伊斯的小說(shuō)《芬尼根徹夜祭》(Finnegan'sWake)中的詩(shī)句改編而來(lái)的。八重法第55頁(yè)/共67頁(yè)夸克模型最初，用三種夸克及其反粒子就可以解釋當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)相互作用的粒子，這三種夸克是上夸克（up，u）、下夸克（down，d）和奇異夸克(strange，s)。介子（p±，p0，K±，K0…）由正反夸克對(duì)（q`q）構(gòu)成，重子（p，n，Λ，∑…）

由三個(gè)夸克（qqq）構(gòu)成。這里q代表夸克，`q代表反夸克?？淇司哂蟹?jǐn)?shù)電荷，以質(zhì)子電荷為單位，u，d，s的電荷分別為2/3，-1/3，-1/3。根據(jù)夸克模型，蓋爾曼預(yù)言某個(gè)未發(fā)現(xiàn)的粒子應(yīng)電荷為-1，奇異數(shù)為-3，質(zhì)量為1680兆電子伏。第56頁(yè)/共67頁(yè)夸克模型1964年，在氫氣泡室實(shí)驗(yàn)中果然觀測(cè)到了蓋爾曼預(yù)言的新粒子，稱(chēng)為沃米格負(fù)（Ω-），并測(cè)得其質(zhì)量為1672.45±0.29MeV，與理論的預(yù)言完全一致。雖然夸克模型取得了巨大成功，但科學(xué)家們對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的研究并沒(méi)有停止。第57頁(yè)/共67頁(yè)夸克模型原子核內(nèi)粒子的間的強(qiáng)作用力是原子核內(nèi)起維系作用的力，它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。1967年初，美國(guó)斯坦福大學(xué)20GeV的電子直線加速器建成（右圖），隨著能量增大，實(shí)現(xiàn)了高能電子的“深度非彈性散射”，出現(xiàn)了新現(xiàn)象。由于質(zhì)子的直徑約為10-13厘米，高能電子正好可探測(cè)到質(zhì)子內(nèi)部，因此被稱(chēng)為電子-質(zhì)子的深度非彈性散射。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子內(nèi)有無(wú)數(shù)點(diǎn)電荷，且基本上是自由運(yùn)動(dòng)的。這一發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家們大吃一驚。第58頁(yè)/共67頁(yè)部分子模型＝夸克模型1969年，美國(guó)科學(xué)家費(fèi)曼（RichardPhilipsFeynman，1918-1988）提出了部分子模型（partonmodel），他認(rèn)為強(qiáng)子是由許多帶電的點(diǎn)粒子構(gòu)成，這些點(diǎn)粒子稱(chēng)為部分子，在高能電磁相互作用和弱相互作用過(guò)程中可以近似作為相互獨(dú)立的粒子。部分子模型和夸克模型是從不同的角度、用不同的方法，得出了同樣的結(jié)論。費(fèi)曼第59頁(yè)/共67頁(yè)三、從坂田模型到夸克模型部分子模型和夸克模型結(jié)合起來(lái)描述：強(qiáng)子是夸克通過(guò)色相互作用結(jié)合成的復(fù)合粒子，強(qiáng)子內(nèi)的部分子可以由三類(lèi)粒子組成：一類(lèi)稱(chēng)為價(jià)夸克，它們的數(shù)目和味是確定的，并隨不同強(qiáng)子而不同，價(jià)夸克決定強(qiáng)子的性質(zhì)；第二類(lèi)稱(chēng)為?？淇耍鼈兊臄?shù)目和味是不確定的，但其總和的味性質(zhì)和真空相同；第三類(lèi)稱(chēng)為膠子，它們的數(shù)目不定，其味性質(zhì)和真空相同，起傳