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因與另一諾獎得主費曼的爭吵得名,更令人敬佩的是他發現了組成世間萬物的基本粒子

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默里·蓋爾曼在粒子物理學上取得了非凡的成就,他也因為與費曼的爭吵而聞名於世。

毫無疑問,夸克——組成質子、中子以及世間萬物的基本粒子——有著一個奇怪而又迷人的名字。發現夸克的物理學家默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)猶如深愛物理學一樣地深愛著這個詞。他因為總糾正別人在念他姓氏時的發音而為人所知,同時樂於命名新的事物和想法也使得他聞名遐邇。在這其中,夸克是他最著名的發現。「夸克」一詞由蓋爾曼取材自詹姆斯·喬伊斯(James Joyce)的小說《芬尼根守靈夜》(Finnegans Wake)。


蓋爾曼事先知道有Quark這個詞但是不知寫出來,後來他看見了喬伊斯的《芬》才明白這是他想要的,而且」 Three quarks for Muster Mark!「(向麥克老大三呼夸克)有證明了一個質子中有三個夸克,所以喬伊斯所說該書有預言性質的話果然沒有錯。


這個高度科學化的術語集聰明、好笑和粗暴於一身,一如它的締造者。

因與另一諾獎得主費曼的爭吵得名,更令人敬佩的是他發現了組成世間萬物的基本粒子


蓋爾曼年輕的時候就開始對語言著迷,當時他幻想著語言學、自然歷史和考古學可以幫助他來認識世界的多樣性。他在上小學的時候跳了三級,因此非常年輕就上了大學。在先後就讀於耶魯大學和麻省理工之後,21歲的蓋爾曼便在普林斯頓高等研究所開始了他的博士後工作,那個時候愛因斯坦還經常在校園裡散步。之後他去了芝加哥大學和費米一起工作,後來當他在加州理工學院的時候又和著名物理學家費曼激烈地爭吵過。


正是在那裡,蓋爾曼奠定了我們對物質基本組成認識的基礎。他以八重法寫下了亞原子物理的藍圖。當時,物理學家知道質子和中子構成了原子,但是他們也發現了其他許多神秘的粒子。八重法讓人們重新認識了難以理解的粒子物理世界,為甚至都未曾想到的粒子找到了位置。這一工作是如此的重要,使得蓋爾曼贏得了1969年的諾貝爾獎。

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夸克模型


1984年蓋爾曼在聖塔菲研究所開始了在其他領域的研究工作,在這個研究所中科學家被鼓勵從事交叉學科的研究。坐落於美國新墨西哥州沙漠中一座山高處的這個研究所被三角葉楊樹和裸露的芙蓉石包圍著,在這裡一個鳥類學家可以在吃午飯的時候和政治學科學家討論數據,並且可以由於沒有紙和鋼筆而用記號筆在窗戶上寫滿統計的方程。正因為它的空間設計、色彩明亮的牆壁、蜿蜒的散步小徑以及廚房裡大量供應的糖果,聖塔菲看上去就像是科學家的樂園。

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刊載於《世界科學》,蓋爾曼與記者,有以下對話。

記者:您以發現夸克這種組成我們宇宙的基本粒子而廣為人知。但是多年來你的同事中,仍有許多人不相信夸克的存在。這是為什麼?


蓋爾曼:你無法直接看到夸克。它們又具有一些不尋常的性質,這就是為什麼人們一開始就很難相信它的緣故。很多人不相信它,還有很多人認為我瘋了。夸克永遠被禁閉在了中子和質子中。你無法單獨把它們提取出來研究。因此從這個方面來講,它們確實有點特殊。

因與另一諾獎得主費曼的爭吵得名,更令人敬佩的是他發現了組成世間萬物的基本粒子


記者:對於一個普通人而言應該如何來想像夸克?被束縛在原子中的小球?


蓋爾曼:在經典物理中,你可以把夸克想成點。而在量子力學中,夸克就不再是一個點了,它會具有很大的「彈性」。有時它表現的會像是一個點,但有時它又會彌散開,有時甚至它還會像波。


記者:當粒子在對撞機中相互碰撞的時候是個什麼樣子?它們不會像撞球那樣碰撞嗎?


蓋爾曼:這取決於物理條件。在非常高能的情況下,兩個碰撞的粒子之間不會發生反彈,相反它們的碰撞會產生大量的粒子。你會看到大量往各個方向飛散的粒子。


記者:上個世紀60、70年代是粒子物理的全盛時期,發現了許多亞原子粒子——其中不僅僅是基本粒子。你能談談是什麼指引你發現了夸克嗎?


蓋爾曼:這對於我來說非常具有戲劇性。我當時已經花了幾年的時間來研究參與強相互作用的粒子的屬性。正是強相互作用束縛住了原子核中的粒子。強相互作用粒子包括了中子和質子,這兩種是最常見的。但是在粒子加速器中當質子之間發生碰撞的時候發現了幾十、幾百個其他的粒子。這對於我們說,意味著中子和質子具有很多很多的能級。


記者:這些粒子和質子以及中子很相似,但是通常並不存在於自然界,對嗎?


蓋爾曼:它們是由加速器中粒子碰撞產生的,它們會在很短的時間內衰變。在非常短的時間裡,它們就會變成其他東西。我曾經預言,Ω超子會衰變成一個中性π介子和Ξ超子,之後中性π介子又會衰變成光子,Ξ超子會衰變成負π介子和一個Λ超子。再然後,Λ超子會衰變成一個負π介子和一個質子。太陽的內部具有非常高的溫度,但是即便如此也不足以產生這些粒子。


記者:這些特殊的粒子還存在於物理實驗以外的地方嗎?


蓋爾曼:它們還存在於宇宙大爆炸之後不久溫度極其高的時候,它們還會出現在宇宙線中。宇宙線絕大部分是質子,但是它們會撞擊地球大氣中的原子核,進而產生這些稀有的粒子。


記者:但是當你在1964年預言夸克的時候,你意識到它並不僅僅是另一種普通的粒子,是嗎?


蓋爾曼:是的。看著已知的粒子和實驗數據,很顯然中子和質子是由三種分數電荷的粒子組成的,我把它們稱為夸克。直到那個時候所有已知粒子的電荷都是質子的整數倍。夸克永遠被禁閉在中子和質子中,因此你無法把它們拿出來單獨研究。於是中子和質子不再是基本粒子。推理並不是一件困難的事情,相信它才是,因為從來沒有人聽到過關於中子和質子的組成以及分數電荷,也沒有聽說過被禁閉在某種可觀測粒子中的、不可直接探測的粒子。


記者:隨著時間的流逝,物理學家發現了越來越多的粒子。粒子的數量會是無窮大嗎?


蓋爾曼:所有的理論物理學家都喜歡「簡單」。在基本物理學中「簡單」一直是一個可靠的嚮導。但是對於已命名的粒子數量來說,這一條似乎並不起作用。這可能是由於表達上簡單的理論造成的。這些粒子的數量可能會一直增長下去,但是我們只能在實驗中探測那些低能的粒子。


記者:現在科學家寄希望在大型強子對撞機實驗中找到另一些被預言的粒子。你認為這會為我們澄清一些事情嗎?


蓋爾曼:這裡還有另一種可能性,那就是發現了一些意料之外的現象。如果他們發現了一些全新的、無法解釋的東西,這會在讓我們失望的同時,又會讓我們非常興奮。


記者:當你在大學的時候,興趣是在考古學、自然歷史以及語言學上。但是你父親卻希望你當一名工程師好來賺錢。


蓋爾曼:我說,我寧可受窮或者死也不願意當工程師,因為我不擅長那些。如果讓我設計什麼,肯定會出問題。當我去耶魯的時候,我接受的一個能力測試。當測試顧問給我測試結果的時候,他說:「你可以做許多其他的事情,除了工程師。」


記者:那後來你是怎樣選擇物理的呢?


蓋爾曼:在我父親放棄讓我當工程師的想法之後,他說:「我們妥協一下,你去學物理怎麼樣?廣義相對論、量子力學,你會喜歡它的。」我想我可以去試一下我父親的建議,我不知道為什麼。我從來沒有聽過他的建議。他告訴我,如果我深入的話物理學會是如何的美麗,這份美吸引了我。我父親喜歡物理,他是愛因斯坦的崇拜者。他會把自己鎖在房間里學習廣義相對論,儘管他從來沒有真正懂得它。我的觀點是,你必須先輕視它,然後才能掌握它。


記者:你認識歷史上一些最偉大的物理學家。在你的心目中誰的地位最高?


蓋爾曼:我不會盲目崇拜別人,尤其是物理學家。費曼非常出色(1965年因為他在粒子物理中的貢獻獲得了諾貝爾獎),但是並沒有他自己認為的那麼出色。他太自我,在奇聞軼事上花了太多精力。費米也非常傑出(他研發了第一個核反應裝置),但是他也有他的局限性,犯過錯。在我從事的理論物理領域中,我還沒有看到誰是不具有局限性的人。


記者:回到當時,你覺得你周圍的人特殊嗎?


蓋爾曼:不覺得。我認識他們中的大部分。我不認識薛定諤,由於某些原因我錯過了認識他的機會。但是我確實和海森堡的關係不錯。他也是量子力學的發現者之一。但是當我認識他的時候,儘管他還不是很老,但是或多或少有些古怪。他有時候會不知所云。他會把一些胡扯的東西稱為理論。他的目的是為了找到一個能包含所有粒子和力的統一理論。他思考著一個方程,但是這個方程絲毫沒有實際意義。用它根本行不通,無解。但是泡利是個有趣的人,他不會像海森堡那樣去觸及一些至少在物理上是瘋狂的事情。他同意參加海森堡的計劃。


但是後來泡利來了美國,有不同的人和他一起工作,其中也包括費曼和我。許多人告訴泡利:「聽著,你不應該摻和這事兒,這完全就是胡扯,你要為你的名聲考慮。」泡利表示同意,並且給海森堡寫信,大致說:「我退出,這沒有意義。」在另一封信中,泡利畫了一個矩形,然後寫道:「這是為了證明我可以像提香(畫家)一樣描繪這個世界,但唯一缺乏的是技術細節。泡利。」換句話說,海森堡提供了一個畫框,但是沒有畫。我和泡利非常熟。我也認識迪拉克,他是個非常怪的人。


當然,我認識這些人的時候他們都已經老了,而並非是在他們年輕並且取得最重要成就的時候。但是,我確實認識這些被人們崇拜的人。我不認為他們有多特殊。不過現在回頭看,那個時候確實是一個令人激動的時代。


但是,我的老師維克多·韋斯科普夫(Victor Weiskopf)指出這裡有一個很大的不同。那就是那些從1924年、1925年開始認識到原子和分子真正如何運轉的量子力學的開創者,他們也會問一些甚至可能只有普通人才會問的簡單問題。例如,維克多曾說,其中一個問題是為什麼我的一根手指無法穿過另一根。最終這演變成了不相容原理(兩個粒子不能同時佔據空間中的同一個位置),等等。然而現在你不得不小心謹慎地提問。


記者:你和費曼在加州理工發生的故事非常著名。那是怎麼回事?


蓋爾曼:在33年的時間裡,我們的辦公室是緊挨著的。當我剛到加州理工的時候,我對費曼非常非常熱情。他也被我吸引住了,但我覺得他有點極端。和他一起工作我獲得了很多快樂。他很有趣,也很聰明。


我們一直都會爭論。當我們曾經很友好的時候,我們會爭論。後來我對他不是那麼熱情了,我們也爭論。當時他做了一些非常好的工作——但並不非常艱深,對於了解質子和中子的結構非常重要。在那個工作中他提到了夸克、反夸克和膠子,不過他沒有這麼稱呼它們。他稱它們為「部分子」。這個詞一半來自拉丁語,一半來自希臘語,很愚蠢。他說他不關心它們是什麼,因此他為它們造了這個詞。但是它們就是夸克、反夸克和膠子,他本來是可以這麼說的。後來人們真正意識到了它們就是夸克,因此就有了後來的「夸克-部分子」模型。我們最終建立了一個理論——並不僅僅是我一個人,是大家合作的結果。我們建立了量子色動力學,這個詞是我提出的。量子色動力學描述了夸克和膠子之間的相互作用,正是這種相互作用把夸克束縛在了一起。不過費曼不相信它。


記者:但是你和費曼能就物理進行非常深入的討論。你們彼此非常契合,是嗎?


蓋爾曼:有幾年,後來我就開始厭煩他了。他總是太自我。每件事情都想證明他的聰明。因此,如果在討論中我們得到了一些有趣的結果,他的解釋就是,「你看,還是我聰明。」這很惱人,因此幾年之後我就不和他一起工作了。


既看到夸克之父默里·蓋爾曼在學術上,一路的堅持。


又看到大師和夥伴相處時的極其可愛。


Susan Kruglinski文


Shea 編譯


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