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默里·盖尔曼:粒子物理学的开路先锋

查字典物理网 2016-01-08

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann),1929年9月15日出生于纽约的一个犹太家庭里,美国物理学家,提出了质子和中子是由三个夸克组成的,并因此获得了诺贝尔物理学奖。

童年时就对科学有浓厚兴趣,少年才俊,14岁从进入耶鲁大学,1948年获学士学位,继转麻省理工学院,三年后获博士学位,年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。1953年到芝加哥大学当讲师。参加到以费米为核心的研究集体之中,1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授,年后升正教授,成为加州理工学院最年轻的终身教授。

从盖尔曼的奇异数发现到获得诺贝尔物理学奖,他的历程可以用渐入佳境来形容:24岁发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数,28岁建立了正确描述弱相互作用的V-A理论,32岁提出了强子分类的八正法(相当于介子和重子的门捷列夫周期表),35岁创立了夸克模型(quark),40岁荣获诺贝尔物理学奖。这些重大理论突破中的每一项也曾由别人独立地提出过,但只有盖尔曼一人对所有发现都有原创性的贡献。其中夸克模型(预言中子、质子这类亚原子粒子是由更基本的单元——夸克组成的。“夸克”是构成宇宙中几乎一切物质的亚微粒子)是与G。茨威格各自独立提出的。“夸克”这一名字是盖尔曼所取,来自他少年时读过的詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的苏醒》(Finnegan'sWake)中的诗句。

1964年盖尔曼进一步提出了强子的夸克模型。SU(3)对称性的八重态似乎暗示由更基础的三重态构成。他认为质子之类的粒子是由更基本的夸克组成。夸克与所有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷,例如:+2/3或一1/3。夸克都是两两成对、或三三成群,永远不可能单独地被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子。这就是著名的夸克模型。胶子就相当于夸克间相互作用的量子。它们的作用和电磁相互作用中的光量子一样。盖尔曼提出有三种夸克:两种同位旋为1/2,另一种同位旋为0。在同位旋为1/2的两种中,同位旋向上的,称为上夸克;同位旋向下的,称为下夸克;同位旋为零的则称为奇异夸克。奇异夸克带有奇异数。夸克理论后来因实验事实的补充而不断发展。1974年丁肇中和垦克特(BRichter)发现J/ψ粒子。原有的夸克理论已无法解释新的实验事实,因此有人引入了第四种夸克——粲夸克。粲夸克带有新的量子数——粲数。1977年发现了重轻子,1978年又发现了γ粒子,促使人们相信还存在第五种夸克和第六种夸克。第五种夸克称为底夸克。第六种夸克称为顶夸克。每种夸克都有红、绿、蓝三色。

盖尔曼一直是粒子物理学的开路先锋。1969年他获得诺贝尔物理学奖,他在诺贝尔奖颁奖庆典上致词说:“对于我,研究那些法则是与对表现千差万别的自然界的热爱不可分的。自然科学基本法则的美,正如粒子和宇宙的研究所揭示的,在我看来,是与跳到纯净的瑞典湖泊中的野鸭的柔软性相关的……”正是出于对大自然的这种热爱引领他去发现微观世界的秩序。研究世界的复杂性。

在获得诺贝尔奖约15年后。他掉转了方向,发起创建了圣菲研究所,成了世界研究复杂性理论的中心之一。盖尔曼因自己对简单世界的洞察力而闻名,八正法完美的规律性产生了所有不同质量的粒子,粒子又进而形成原子核、原子和分子。正是由这些完美的物质基元——夸克和轻子,构成了高度复杂而个性独立的世界。美籍华裔作家施加彰(ArthurSze)送他一本新出版的诗集中有两句诗打动了默里:“夸克世界中,万事都与一只在夜间徘徊的美洲豹有关。”诗句似乎完善地表达了简单性如何导致复杂性的奥秘,以及精确的物理定律如何产生有意识的生物。盖尔曼给他一本揭示复杂性的新书起名《夸克与美洲豹》,1994年出版后大受欢迎。

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