2004諾貝爾獎評述:夸克世界的多彩發現 (2004-10-15)
發布時間:2007-12-04
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來源:科學網
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諾貝爾物理學獎評委會認為,今年獲獎的三位科學家發現的“漸近自由”現象,不僅深刻地改變了人們對自然界基本作用力作用方式的理解,為量子色動力學理論奠定了基礎,完善了粒子物理學標準模型,而且也讓科學家向實現對自然界四種力進行統一描述的宏大夢想更進了一步,最終將形成一種涵蓋包括萬有引力在內的解釋一切物理現象的理論體系。
人體的最小粒子
美國物理學家蓋爾曼、茲維格在1963年提出了物質組成的新理論,主張當時所認知構成物質的最小粒子中子、質子等,是由更基本的粒子“夸克”所構成的,也就是說夸克是物質世界,包括人類自身的最小構成元素。
然而當人們試圖打開質子或者中子時,卻從未發現單個的、自由的夸克,只有兩個或3個夸克的集合體才能處于自由狀態,通常情況下夸克總是被約束在質子和中子內部。這是目前科學研究無法完全解釋的問題。了解夸克之間的相互作用力的性質,就有可能得到單個的自由夸克,從而解決這一難題。
中國科學院理論物理研究所研究員吳岳良向記者介紹,1973年,格羅斯、波利策和維爾切克提出的“漸近自由”理論,為此提供了解釋。這3位科學家先后在《物理評論快報》上發表文章,用數學模型解釋了夸克的上述神秘行為。他們的發現表面上看起來是完全矛盾的,在夸克之間距離很近的時候,相互作用會變弱,這跟宏觀的相互吸引力是完全不同的。三位科學家在上個世紀70年代提出的理論認為,強作用力會隨著夸克彼此間距離的增加而增大,因此沒有夸克可以從原子核中向外遷移,獲得真正的自由。這些夸克會永久地被結合在一起,因此不可能找到單個的夸克。同樣根據“漸近自由”理論,強作用力會隨著夸克間距離的變小而減弱,這意味著,約束在質子等內部的夸克在彼此距離足夠小時將近乎自由地進行運動。
標準模型的基石
這三位科學家發現的夸克漸近自由現象,為一個全新的理論??量子色動力學??的誕生奠定了基礎。量子色動力學描述夸克間的相互作用。量子色動力學認為,與電子帶有電荷類似,夸克和膠子(一種傳遞強作用力的基本粒子)帶有色荷,基于色荷的色力或者強作用力,具有比電磁力更為復雜的作用方式和更為奇特的現象,“漸近自由”就是一個明顯例子。
中國科學院高能物理研究所研究員常哲告訴記者,夸克漸近自由現象的發現,確立了粒子物理的標準模型。非阿貝爾規范場的漸近自由性質使得物理學家可以對自然界各種作用力有一個統一的描述方式。標準模型描述了目前為止發現的與強相互作用力、電磁相互作用力、弱相互作用力有關的所有物理現象。通過科學家的不斷努力,標準模型已經具備了堅實的理論與實驗支持,它是惟一一種能夠兼顧現代物理學的兩大支柱??愛因斯坦相對論和量子力學的理論模式。由于格羅斯、波利策、維爾切克的發現,物理學家更接近了一個偉大夢想??為強相互作用力、電磁相互作用力、弱相互作用力、萬有引力構建一個統一的理論,一個適用于所有物質的理論。
通過了解夸克間相互作用力的性質,就有可能找到打開自由夸克的辦法。如果能夠合理利用夸克內部的強作用能,那么人類就有可能獲得比核能還要大得多的能量,相關研究將有很大的應用潛力。吳岳良指出,當我們打開物質的每一個層次的時候,都有很大的應用。例如從分子到原子,從原子到原子核。特別是原子核,我們可以利用核能,那么假如我們能夠把自由夸克打開,知道在什么能量之下我們能夠看到這個自由夸克,我們就可以合理地利用夸克里面的強作用能,而那個能量比我們的核能可能還要大得多。如果有一天,我們能夠充分認識基本粒子及其相互之間的作用力并掌握和利用“粒子能”,那么這種利用的效果將是空前的。同時利用粒子物理還可以進行有關宇宙學的研究,探尋宇宙早期的演化。宇宙剛剛形成的瞬間,只是以基本粒子的狀態存在,研究夸克等基本粒子,將可以幫助科學家回溯宇宙的初始階段,從而了解宇宙由過去到現在的演化歷程。
路漫漫其修遠兮
這三位科學家的發現早已成為粒子物理研究的基石之一,然而這30年后的諾貝爾獎是否有些姍姍來遲呢?常哲認為,對于這一問題,諾貝爾獎得主楊振寧曾經說過,諾貝爾獎是可遇而不可求的。基礎研究必然要經過一個艱辛的過程。長期的投入,以及整體研究水平的提高才是獲獎的前提,真正的科學是經得起時間的考驗與推敲的。一項科學研究的價值往往要經過漫長的道路才能被透徹地認識,也只有這樣才能夠得到大眾的認可,做學問切忌急功近利。他說,這三位科學家都是拼命工作的人,心里想的只是如何解決一個又一個的科學問題,并以此為樂,沒有浮躁,沒有雜念,做這件工作的時候不會想到能否得獎,當然是金子就會發光。
長期以來,我國科學家在粒子物理領域發現了一系列有意義的現象,做出了多項世界一流水平的研究成果,引起了國際同行的濃厚興趣,推動了夸克理論的進一步進展。國際粒子物理界權威文獻《粒子物理評論》收錄的90年代以來的共113項粲夸克偶素物理方面的粒子數據中,我國的實驗數據就占了74項,占世界數據總量的65%。其中20多項數據是國際上首次報道的,相當一 部分測量達到了世界最高精度??梢哉f我國在這個能區的研究水平是世界第一。
據吳岳良介紹,目前,粒子物理標準模型雖然已經取得了很大的成功,尤其規范相互作用部分得到了越來越精確的實驗驗證,但是粒子物理學家相信標準模型不可能是一個最基本的理論。因為模型中關于對稱破缺和夸克禁閉(夸克被“囚禁”起來形成強子,在實驗中無法觀測到自由夸克的存在)的基本問題仍然是一個懸而未決的謎,并且涉及到18個未知參數,它們的起源也仍然不清楚。在這些方面的任何實質性突破都能夠成為“原始創新”和“國際領先”的研究成果。
戴維?格羅斯
國籍:美國
出生:1941年
學位:1966年 美國加州大學伯克利分校物理學博士
獲得時間和地點:1973年,美國普林斯頓大學
獲獎年齡:63歲
現任職地點:加州大學圣巴巴拉分??ǚ蚶碚撐锢硌芯克?
戴維?波利策
國籍:美國
出生:1949年
學位:1974年 哈佛大學物理學博士
獲得成果時間和地點:1973年,哈佛大學
獲得年齡:55歲
現任職地點:加州理工學院
弗蘭克?維爾切克
國籍:美國
出生:1951年
學位:1974年 美國普林斯頓大學物理學博士
獲得成果時間和地點:1973年,美國普林斯頓大學
獲獎年齡:53歲
現任職地點:美國麻省理工學院