人類認識微觀世界的歷程與漸近自由的發現

第三十八章：人類認識微觀世界的歷程與漸近自由的發現

首先要聲明，本章的所有的內容，6000多字，並非我原創作品。是摘錄作品。是我在博客中看到別人轉載的一篇諾貝爾獎獲得者戴維，格羅斯教授在杭州公演的講稿內容。這篇內容講述了，人類對微觀世界的探索和漸進自由的發現。和我上一章內容，有緊密聯繫。

本人正計劃，也寫一個類似的文章，但看到這篇文章之後，我認為戴維格羅斯教授，寫的通俗易懂，我肯定不如教授有能力。所以將本章節作為興趣閱讀，摘錄上來供大家閱讀。非常不錯，有高中物理基礎的基本沒有障礙。 下面是格羅斯教授的介紹和演講稿內容。

本文為2004年度諾貝爾物理獎獲得者戴維格羅斯教授應浙江省物理學會邀請，作為慶祝國際物理年活動，在浙江省作公眾演講。

戴維·格羅斯博士是美國加州大學教授、理論物理研究所所長， 1986年當選為美國國家科學院院士，2004年度諾貝爾物理學獎獲得者。格羅斯博士在理論物理，尤其是在規範場、粒子物理等方面有一系列傑出的研究成果，在國際上享有盛名。

演講稿正文：

我很高興再次來到中國，特別是又到美麗的杭州訪問 。我在去年獲得了諾貝爾獎，並在瑞典獲獎時作了學術演講 。今天的公眾演講將比當時的演講用到更少的專業術語。

為了得到這個諾貝爾獎，當然首先要做一些研究工作 。我們的工作是關於原子核內的物理現象，與物質微觀結構有關 。在十九世紀末，已有很多人認為物質是由原子組成的，那麼什麼是原子呢？

幾乎所有的物質都是由原子構造的，利用原子的性質可以解釋很多物質的性質 。但是當時仍有不少人懷疑，因為人們沒有真正看到過原子 。其中的一個突破點，也就是今天我們在這裡慶祝的愛因斯坦在 1905年所做的工作之一，即與光電效應的正確解釋有關。

但是原子到底是什麼樣的呢？在 1897年，湯姆孫發現了物質裡面有點狀的帶電的東西，即電子。電子是很小的，它應該存在於原子裡面 。但它是帶負電的，那麼是什麼物質與它的電荷平衡呢？

而且原子的質量比電子要大得多 。所以湯姆孫提出原子有一個果醬樣背景，而電子鑲嵌在果醬上的這麼一個原子模型 。果醬提供了一個均勻背景，電子則鑲在果醬裡面。

在那個時期沒有人真正了解原子 。在1912年，在英國工作的紐西蘭科學家盧瑟福利用高能的α粒子打靶實驗揭開了原子的秘密 。他把α粒子打在金箔上，粒子會散射，不在原來的路線上運動，而有所偏離，這些散射的粒子會出現在熒光屏上 。

這個實驗具體是他的學生蓋革和馬斯登做的 。他們用這個辦法揭開了原子的秘密。實驗就好比在一個黑暗的房子裡面，可能會有很多的傢具，若把球踢到房子裡面，然後開始想像這個房子裡面有些什麼東西 。聽一下這個聲音，你能說出這個房間有什麼東西嗎？有金屬物件。盧瑟福預期這種散射只有在很小的角度才發生，因為電子的質量跟原子相比是非常小的 。

使他很吃驚的是，有相當數目的粒子散射到比較大角度的方向，有一部分甚至是 180度的散射，就像皮球撞到牆上再彈回來一樣。這個現象使他非常困惑，這相當於把直徑 15英寸的炮彈打到一張很薄的紙上又彈回來了，這是個不可思議的現象 。

他又做了很多定量的研究，終於發現原子裡面有一個大質量的東西，即原子核 。這就是物理學研究的規律。它不但要描述一個現象，解釋這個現象，更重要的是發現本質的東西 。

他認為這是帶電物體之間的相互作用，α粒子是帶正電的，而靶是金原子核，它們之間發生了散射 。他對這個現象進行了計算，算出的結果和實驗結果非常吻合，從而證明了原子大部分的質量集中在原子核裡面，占整個的 99.9％.同時，他也發現在原子裡面，所有的正電荷都集中在原子核內 。電子環繞原子核運動，他們之間的距離與原子核的大小相比大了十萬倍。所以，原子的絕大部分實際上是空的 .你我都是由原子組成的，我們人體絕大部分是空的！

電子在原子中的運動就像是一個非常小的蚊子在很大的房間里飛舞 。因為電子圍繞著原子核在轉，而帶電粒子在高速轉動時會發生輻射，那麼電子也會掉到原子核裡面去？

在 1913年，玻爾基於愛因斯坦等的工作，構造了一個量子模型，解決了這個問題，並且可以解釋元素周期表的一部分 。

量子理論經過大量理論與實驗研究，得到很大的發展，已經成為現在科學技術的基礎 。那麼原子核裡面到底有什麼呢？這在當時是不能解釋的，因為粒子能量不夠，不能夠打到原子核裡面去 。

在1930年的時候，事情已經變得相當清楚，在原子核裡面有兩種力：一種是弱相互作用，還有一種是強相互作用 。比如碳-14會通過弱相互作用衰變成氮-14。

關於弱相互作用的機制，費米做了很出色的研究 。他的弱相互作用理論在長達40年的時間裡都被認為是正確的 。但是原子核內還必須有另外一種力，它把質子和中子結合在一起，形成原子核。這應該是很強的相互作用，而且非常神秘 。

1935年湯川發現這個強相互作用力實際上是和交換光子的電磁相互作用機制非常類似 。為了解釋核力的短距離，他認為傳播核力的量子應該是一個質量很重的粒子 。如果傳遞強相互作用的粒子質量是電子質量的兩百倍，那麼它就只會在原子核內起作用 。

幾年以後實驗確實發現了π介子，對這個理論作了很大的推動。但是，如果認為這樣對強相互作用就都了解了的話，那是完全錯誤的。

二次大戰以後，因為物理學家可以建造很強大的炸彈，政府對物理學開始有很大的興趣和投入 。其中有一個加速器就建在加利福尼亞大學裡面。第一個加速器比較小，可以放在一個房間裡面。

因為政府的推動，政府肯為這個項目花錢，現在造的加速器直徑可達兩個英里以上 。這種加速器可以把質子加速到接近光速，然後讓它們之間發生碰撞，希望通過分析碰撞的過程，來揭開強相互作用的秘密 。

雖然這並不容易，但是這是我們能夠用的唯一手段。即希望通過碰撞，了解質子的內部結構 。人們預期通過質子的碰撞，它內部的粒子會跑出來。如果這個相互作用比較簡單的話，這樣推理的過程應該是可以成立的，但是實際情況並不是這樣 。

質子跟質子碰撞以後，產生的不是它內部更小的部分，而是產生更多的強相互作用粒子，即強子 。強子種類很多，而且他們都是平等的，可以互相轉換。

這樣，基本粒子的數目增加得很快很快，到後來就搞不清楚究竟哪些是最基本的 。在60年代早期，大家都認為很難真正研究清楚強相互作用 。甚至預言正確的強相互作用理論不會在一百年之內被發現。很多人都認為要真正弄清楚核力，了解強相互作用，需要革命性的理論 。對於我，作為一個年輕的研究生，感到非常的激動，非常的幸運。

在 60年代早期，物理學家蓋爾曼發現強子的結構可以用更加基本的粒子解釋。如果我們假定有三種不同的夸克，具有不同的電荷，不同的質量，而且強子是一個複合粒子，那麼很多強子的結構都能得到很好的解釋 。同時也可以比較容易的看出來，夸克需要有三種顏色，這三種顏色其實像某種符號，跟普通的顏色無關 。

夸克還有非常奇怪的性質，帶分數電荷。若用質子跟質子對撞，即使達到比正常估算的能量大十倍，還是沒有看到夸克。這與以前知道的過程很不一樣。比如，原子跟原子碰撞會產生很多的電子出來，原子核跟原子核碰撞也會產生很多的強子，而質子跟質子碰撞出來的還是強子 。

從這個研究當中，我們似乎可以得出結論，夸克應該是虛構的，只是一個數學符號，我們不能太認真 。

如果回顧歷史，剛開始研究原子核時，這個結構也是很複雜，自然界的秘密就藏在裡面。強子的基本組份在實驗上是看不到的。

不過我們現在可以下結論，強子裡面確實有夸克，但是沒有人看到，也許將來也不會有人看到 。描述夸克性質的顏色，也就是量子色動力學的基礎，實際上也是看不到的。所以大家也不會感到奇怪，要搞清楚核子的結構需要六十年的努力。

一個重要轉折點是 1968年，當時我還是一個研究生，在斯坦福大學有一個非常強大的加速器開始做實驗 。剛開始的時候，人們也懷疑這裡會有什麼新發現。

但是歷史有時會驚人的相似，實驗發現有的時候入射電子會往回彈回來 。結論跟盧瑟福的推論是一樣的，質子裡面有點狀的組分。而且這些點狀的組分在質子裡面幾乎是自由運動的。

我自己也對這個事情非常感興趣 。我跟同事一起做了如下一個工作，就是首先假定質子確實是由自由的、更基本的粒子構成的，我們理論上計算一下到底會發生什麼現象。

實驗的結果證實了我們的假定，即質子裡面有點狀的粒子。這個實驗本身也得到1990年的諾貝爾獎，現在這個實驗已被認為是發現夸克的一個重要的證據 。

自從1968年的實驗，我自己已確信夸克不是一個數學符號，而是一種實在的粒子。但是問題還很複雜，因為夸克是很難被打出來的，從而可以推斷夸克之間應該有很強的相互作用。

如果不是這樣的話，是不是反過來說明我們的公式是錯誤的呢？關於這個問題的研究，困擾了我很多年。研究工作不是那麼容易，所用理論工具是量子場論，因為它在量子電動力學裡面已取得了極大的成功 。但是用它來處理強相互作用很不成功，很多人甚至認為這是一個錯誤的探索。

我當時就在研究夸克的量子場論。因為力是可以變化的，我們猜想夸克之間的力也許因為距離變小而發生變化 。但是在場論裡面，因為真空極化的原因，距離變短的時候，力似乎應變得越來越大 。【真空極化：由於量子漲落效應，宇宙會隨機產生虛弦對，而當周圍有一巨大的力場時（比如黑洞），會拆散虛弦對，產生真實粒子。這便是真空極化效應。】

從量子場論的觀點看，物理真空並不是完全一無所有，它其實有很多的正負電子對，會發生極化的現象 。這是因為量子力學裡面的不確定關係，每當你想觀察某個粒子的時候，總會干擾它 。

真空實際上是一種媒介，就像水、空氣，它會影響電荷。在量子電動力學裡面，媒介是一種電介質，會使得電荷看起來變大 。

如果把電荷放在介質裡面，周圍會有很多虛的粒子對產生，對於原來的正電荷會產生屏蔽的效應 。

在遠處測量，電荷值會變得小一點 。如果是從電荷中心算起，越往外有效電荷越小。反之，越往中心有效電荷就越大。所以這種機制不能解釋夸克之間的相互作用 。因為我們要求隨粒子距離變小，它的有效荷變得更小 。所以，在1972年的時候，人們認為量子場論並不能解釋強相互作用。

道理很簡單，因為場論在量子電動力學裡的結論，在距離變小的時候，電荷變得更大 。為了解釋這個實驗，我們要求：當距離變得很小的時候，理論能給出粒子間相互作用的強度趨於零 。當時存在的所有理論都不能解釋這個現象 。

其中的例外是楊 -米爾斯理論。這個理論是對電磁相互作用的推廣，它裡面的荷不是一個，而有很多個 。在1972年，我跟我的學生一起，希望填補這最後一個漏洞。我們希望能計算楊-米爾斯理論的漸近性質 。1973年，我們得出一個計算結果，發現該理論的真空性質是反屏蔽的，這跟其他場論都不一樣 。這完全出乎我的意料。原來量子場論並沒有錯，楊-米爾斯理論可以解釋斯坦福的實驗 。

楊-米爾斯理論包含夸克和膠子，後者就像電動力學裡的光子，但是跟光子又不完全一樣，它本身也是帶荷的，可以發生自相互作用，可以影響真空性質 。

因為有自旋，你可以把膠子看作是一個永久的偶極子 。如果把色荷放到真空中，它會使偶極子重新排列，有效荷會變得更大 。如果在遠處測量它的荷，你會發現它會變得更大.

反之，越往中心色荷會越小 。所以楊-米爾斯理論的真空是漸近自由的，因為反屏蔽效應超過了夸克電荷所引起的屏蔽效應 。所以夸克之間的相互作用是楊-米爾斯場來傳遞的，當夸克之間距離非常小的時候，其相互作用會變得非常小 。只有一種成功的關於夸克的動力學理論，而且我們知道這個理論是什麼 ,它一定是楊-米爾斯理論。

理論的基本組分就是我們在實驗中知道的，帶三種顏色的夸克 。如果問荷是什麼東西，顏色是一個很明顯的選擇。這就是我們在最初的文章中所提到的，要重視基於色三重態的楊 -米爾斯理論。這個理論被認為是重大突破。

有記者問，我們是不是做出了重大的發現，我告訴他們我們只不過是做了一個計算。這就是我們當時的感覺 。對科學的探索就像爬山一樣，你知道翻過這個山，還會有別的山 。

現在我們的里程開始，我們開始爬山了。經過努力，我們最後爬到山頂，看到一個很漂亮的山谷 。我們從山上下來，看到還有很多人在往山谷里來。我們在享受這個山谷裡面的新鮮水果，發現量子力學與量子場論原來是完全一致的。

我們這個工作解決了很多疑難，也部分解釋了夸克禁閉這個現象。可以自然推論，夸克之間的力隨著距離的增大，會增加的非常非常快，以至於夸克永遠是束縛的 。

這樣就可以解釋，為什麼看不到自由的夸克，也可以解釋為什麼沒有看到量子色動力學的量子 -膠子。因為膠子本身也帶顏色，所以我們看不到 。量子色動力學解決了困擾我多年的問題。大球是核子，夸克在裡面幾乎是自由運動的，相互作用非常弱 。但是，如果試圖把兩個夸克拉開一點距離的話，它們之間就會產生一個強的相互作用 .就像一根橡皮筋一樣，你拉的越緊，它的力越大。

比較令人高興的是，這個理論是可以計算的；物理學家就喜歡計算。在高能的時候，相互作用非常弱，這個理論變得比較簡單 。我們做了大量的計算，直到今天人們還在計算.這些計算，使得我們對強相互作用的理解前進了一大步，很多的計算結果都可以進行實驗驗證 。

但是，當距離非常大的時候，這個問題仍然沒有圓滿解決 。這個時候，因為相互作用非常強，這個問題很難處理 。目前，有些計算可以精確到百分之幾。實驗驗證也慢慢的多起來了。

這是到 1989年為止，對漸近自由現象的實驗結果，看起來符合得還可以，但還沒有充分說服力。直到 2004年的實驗，理論和實驗符合得非常好。到目前為止，量子色動力學的實驗驗證可以達到百分之幾，而且可以驗證的物理量也是非常多的。這就促使瑞典諾貝爾獎委員會考慮頒獎了 。因為瑞典人是比較保守的，只有理論和實驗做得非常好的時候，他們才會考慮 。

利用量子色動力學及其漸近自由的性質，我們可以推斷三噴注實驗實際上起源於一個夸克，一個反夸克與一個膠子 。如果你跟實驗物理學家去討論的話，他會指著屏幕告訴你，這個是夸克，這個是膠子。所以我們實際上是可以看到夸克的，雖然我們不能夠把單個夸克和反夸克打出來 .怎麼理解上面的話呢？因為我們有可靠的理論基礎，所以上面的解釋實際上跟電子是類似的，畢竟我們也沒有用肉眼看到過電子 。

我想最後強調一下，量子色動力學是一個幾乎完美的理論。通常的理論都有一個極限，適用於非常小或是非常大的參數。對漸近自由的理論，距離越來越小，這個理論就越來越簡單。

所以，很小距離區域不需要新物理 。另外量子色動力學幾乎沒有自由參數 。如果我們忽略夸克的質量，這是一個很好的近似，我們只有耦合常數一個參數，所有其他物理量都可以計算出來.比如，質子、中子的質量到底從哪裡來的呢？

它們來自能量，因為能量跟質量是等價的，所以你身體的質量來自於夸克的能量。下面再講兩個例子 。宇宙在早期的時候，是非常非常熱的，而且密度非常非常大。

在1973年以前，我們不知道宇宙早期到底是什麼樣子。因為溫度非常高，粒子能量非常大，我們需要強相互作用理論來研究 。在某個時間點，因為溫度很高、密度很大，質子本身會融化，夸克就會跑出來。換句話說，在大爆炸以後，有很多自由的夸克和膠子。在一千萬分之一秒以後，宇宙變冷了，夸克就開始結合在一起 。

物理學家現在正在致力於製造夸克-膠子等離子體。他們用高能的重離子互相碰撞，產生高溫高密度物質 。在很短的時間內，在碰撞的瞬間確應如此。

量子色動力學也促進了統一理論的研究。在量子色動力學剛建立起，人們就開始研究統一理論 。這是很自然的，因為電磁、弱、強這三種力都是由楊-米爾斯理論來描寫的。

特別是強相互作用，我們可以看到相互作用強度和能量有關，所以可以猜想在某一能量點，溫度非常高的時候，強相互作用和電磁相互作用應該差不多大。

強相互作用和弱相互作用的強度是隨能量下降的，而電磁相互作用強度是增加的。可以預期在一個非常高的能量點，這三種力可能變得一樣大。實際上在這個能量附近，引力也會變得非常大。這是一個很直觀的推論，我們未來的研究熱點可能就在這能區 。另外，這個現象是否也暗示著有新的對稱性有待於我們去發現？

最後，我不但要感謝瑞典的諾貝爾獎委員會，還要感謝大自然為我們提供了如此豐富多彩的現象，而且能讓我們揭開它的神秘面紗 。

以上就是演講稿的全部內容。希望大家喜歡。

摘自獨立學者靈遁者量子力學書籍《見微知著》

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