四、基本粒子结构认识简介

费曼断言“没有人理解量子理论”。 量子：泛指这样体系，这个体系在运动、变化和相互作用的过程中，保持其体系的整体结构、大孝和物理性质不变的整体总称为量子。笔者认为，对应原理是正确的，但是Bohr对于原子辐射现象的解释是错误的，本质在于电磁质量的数值在实数集上量子分布，electromagnetic field在发射与传播过程中以光子的形式。在薛定谔方程中，只有原子中电子具有某些离散的能量值时，方程的解才有意义。由薛定谔方程能得到Bohr氢原子理论。电子与质子的电磁质量相等，当亚核粒子带电时，它所带的 electric charge总是正好等于一个电子或一个质子的 electric charge。

科学界经过近百年研究实验，已经确认：所有重子衰变的最终产物除质子外是电子、中微子和光子；所有介子和轻子衰变最终产物也是电子、中微子和光子；中微子伴随着弱相互作用，电子和光子在一定条件下可以互相转化。在所有粒子衰变整个过程中，其能量、动量、角动量、电荷数、重子数均完全守恒，而且是朝着能量降低方向自发进行的。在人类科学实验目前所能达到的最高能量的粒子碰撞反应中，单位电荷始终是最基本的，能自由分离出来，稳定存在的带电单位。在高能粒子加速器中靠粒子碰撞反应寻找比子体能量还大得多，带分数电荷的“夸克”作为最基本粒子的想法是不明智的。经过几十年的努力，最终只找到一些少得可怜的间接证据，至今仍无法将其分离出来，并使之稳定存在。近20年来不少物理实验说明基本粒子有其内在结构，基本粒子之间存在着某种内在联系。人们曾先后提出多种关于重子和介子内部结构的模型。最早提出强子结构模型的是1949年的费米-杨振宁模型，1956年日本的坂田模型。这些模型能够说明一些情况，但是在系统地解释重子的性质方面遇到了困难。到1964年盖尔曼等人分析了重子和介子的对称性质，在坂田模型的基础上进一步提出了“夸克模型”。按照夸克模型，强子是由夸克组成的，重子由3个夸克组成，介子由一个夸克和一个反夸克组成。夸克的重子数B、电荷Q和超荷Y都是分数。按照盖尔曼的想法，所有已知的强子都由三种更为基本的“积木块”堆积而成，即三种类型的夸克（u、d、s）和反夸克（ū、d、S）。这一模型能很好地解释重子和介子的性质，预言Ω一超子的存在。1974年发现J／ψ粒子，需要引入第四种粲夸克c；1978年发现γ粒子，需要引入第五种底夸克b。盖尔曼认为：所有的强子都是由这三种具有一定对称性的夸克及它们的反粒子所组成。它们分别称为“上夸克(u)”、“下夸克(d)”和“奇异夸克(s)”。与坂田模型一致的是，新模型也使用三种“积木块”，但是这里的“积木块”是一种理论上的推测，属于更深一层次的基础粒子，而在坂田模型中，身为“积木块”的p、n、L却同时又是“复合粒子”，它们三个同时扮演着两种角色。但利用夸克模型，能够较好地说明许多现象，而且还预言了一些未知粒子，比如夸克模型预言存在着一个新的粒子W-，以后的实验果真找到了这个粒子。

早在1970年格拉肖等人就提出第4种夸克-粲夸克（c）。1974年，美籍华裔物理学家丁肇中领导的一个小组和斯坦福加速器中心的B·里克特领导的另一个小组同时独立地发现一个新的粒子J／ψ，这个粒子的质量数很大，寿命很长。即丁肇中和里克特发现了第四个夸克——粲夸克(c)。J／ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的。1977年莱德曼发现一种比质子重10倍的中性介子—r粒子。新粒子正是由第5种夸克-底夸克（b）所组成。为了形象和方便，人们又从量子规范理论来描述，把u、d、s、c、b称为5种味夸克，每种味又分红、黄、蓝三“色”。“色”和“味”都代表不同的量子态。这样，正、反夸克的数目就成了30种。已知的几百种强子，都是由这五种夸克构成的。比如，质子是由两个上夸克加一个下夸克组成。从对称性的观点看，似乎存在第六个夸克，虽然当时尚未发现，但已取名为“顶夸克(t)”，使所提出的夸克已有6种18类，它们的性质也显示了类似化学元素周期表的排列，这很可能表示夸克还有内部结构。可是，夸克（或层子）曾长时间没有获得实验上的支持，出现了所谓“夸克禁闭”现象。70年代，丁肇中等科学家在实验室发现了胶子存在的迹象，为夸克层次的存在提供了间接证明。1994年美国费米国家实验室宣布，找到顶夸克存在的证据。找到的“顶夸克”约174GeV，质量是质子的180多倍。c、b、t3种夸克的质量很大，称为重夸克，原有的夸克u、d、s则称为轻夸克。

为了说明夸克的自旋统计问题，假设夸克具有色自由度，每一种（味）夸克可处于3种不同的色状态。1973年建立描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论，夸克之间的作用力是由于带有色荷的夸克相互交换胶子而产生的。胶子静质量为零，自旋为1，且带有色荷，胶子之间也有强作用。但实验上未观察到自由状态夸克，也未观察到自由胶子，一种可能的解释是夸克很重，目前所达到的能区还不足以把它们从强子中打出来；另一种可能的解释是认为夸克由于某种原因被囚禁在强子内部，而不可能以自由状态存在，这就是所谓夸克禁闭。解释夸克禁闭的一种看法是色相互作用犹如弦，近距离时相互作用弱，远距离时相互作用增强；夸克分离越远，弦的能量越大；而弦的断裂则产生一对新的相反色荷，也就是说以很高能量子轰击的结果，要么是不能将强子击开，要么产生出一些强子，因而夸克永远禁闭在强子内部。

粒子物理学使人类的认识已深入到亚原子（或亚原子核）阶段，了解到物质构成的单元已小到夸克和轻子，其尺度都小于10的-17次方cm，认识的尺度缩小到原子的十亿分之一。但因在夸克模型中，所有强子都是由夸克和它们的反粒子组成，夸克模型解释粒子静态性质取得很大成功，而对解释粒子的动态性质上则未涉及。因此，与夸克理论的提出差不多同时，1965年我国由中科院原子能所、数学所、中国科技大学近代物理系和北京大学物理系等单位的朱洪元、胡宁、何祚庥、戴元本等共39人组成的北京基本粒子理论组，提出层子模型，来研究强子结构的粒子的动态性质，并于1966年夏在北京召开的国际物理讨论会上以北京基本粒子物理组的名义提出了“强子结构模型理论”。层子模型的主要思想是：（1）物质结构有无限的层次，在粒子层次上的构成组分是层子，但层子并不是物质的始元，它只不过是物质结构无穷层次中的一个层次；（2）要解释强子的动态性质，只考虑对称性是不够的，必须涉及强子的内部结构，在最终建立起层子之间的动力学理论之前，可以通过表达层子在强子内部运动的波函数来着手研究；（3）由于强子是层子和反层子的束缚态，不能当做点粒子处理。因此要发展计算含束缚态的矩阵元的方法，自恰地处理束缚态的内部运动波函数；（4）层子在强子内部的运动，可以作为非相对论近似，但强子作为一个整体运动，必须具有相对论协变的性质；（5）不同的强子的动态性质，通过对称性及内部运动波函数有着一定的关系。

“北京基本粒子理论组”从结构的角度来研究重子和介子的衰变和转化现象，认为重子、介子都是由更为基本的层子、反层子所组成，重子、介子的相互作用归结为它们内部的层子的相互作用，还提出组成重子、介子的层子的波函数，并假定量子场论对层子也适用。这一模型对重子、介子的各种相互作用，特别对弱相互作用和电磁相互作用的衰变，进行了大量的计算，提出了一些预言，其中绝大部分计算和预言同当时实验结果相吻合，同样引起了国际物理学界的关注。1972～1975年间，中科院数学所戴元本等人对层子模型的强相互作用过程又进行了一系列研究；中科院原子能所冼鼎昌发展了用解析延拓和选择特殊坐标的方法，解决从欧氏空间延拓到闵氏空间的问题，从而利用贝特-沙披方程研究介子的波函数及其电磁形状因子；中科院原子能所何祚庥、张肇西和谢怡成应用层子模型研究了深度非弹性散射。

按照冼鼎昌院士的说法，夸克模型是在当时不知道在强子内部是否有新的力学规律在起作用的情况下，朱洪元院士考虑到在当时已知的最高能量下，物理实验结果表明量子数、本征值、几率波这些概念仍然有效，猜想在强子内部的小尺度范围中，用波函数描述状态、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效，于是朱洪元院士才提出引入强子内部的结构波函数来描述强子内部结构的状态的。朱洪元院士认为，在引入波函数以描述运动着的强子时，应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念；通过对已知实验数据的分析，可提出层子在强子内部的运动速度远小于光速，是非相对论性的；但强子的整体运动，可以是相对论性的，这样，可以在强子的静止坐标系中定出非相对论性的结构波函数，然后通过洛伦兹变换得到作自由运动的强子的波函数。目前科学界提出了夸克理论，指出存在且已验证存在六种夸克，对于每一种夸克，都存在着相应的反夸克，反夸克的质量、自旋同于夸克，而电荷、奇异数和重子数的数值相同、符号相反，在强相互作用中奇异数守恒。夸克带有分数 electric charge，夸克之间的相互作用随着夸克之间的距离增加而增加，以致巨大的撞击能量未分离开夸克，而产生两个或三个夸克组成的强子，夸克之间存在着强相互作用，靠这种相互作用，每一个介子由一个夸克和一个反夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成。这个理论又称为夸克的禁闭理论。按照这个理论单个夸克是是不能从强子中分离出来的。李政道认为：“现在所知道的基本粒子有6种轻子、6种夸克，但是夸克不能单独存在，是看不见的，这很奇怪。”，把这个问题列为21世纪科技界面临的四个问题之一。笔者认为，夸克的禁闭与电磁质量的数值在实数集上量子分布有关，当能量达到一定程度时，夸克也会分离出来，例如欧洲粒子物理实验室的科学家在让铅离子相撞时，短暂产生的温度超过太阳中心温度10万倍，能量密度达到一般核物质的20倍。在这极不寻常的情况下，他们发现名叫夸克和胶子的最微小粒子在转瞬间飞快自由转动，然后，这些小粒子便粘在一起。他们相信这就是构成原子的基础物质。1994年美国物理学家Seiberg和Witten的一系列工作在严格求解量子场论方面取得了突破，第一次从理论上证明了磁单极子的凝聚给出夸克禁闭。Seiberg和Witten的工作主要讨论求解N=2超对称规范理论的问题。自然界中的基本粒子分玻色子和费米子两大类，这是两类统计性质完全不同的粒子。超对称性是一种关于玻色子和费米子的对称性，N=2超对称是比最基本的N=1超对称限制更强的一种超对称，前面提到的粒子物理的标准模型不是超对称性的理论(N=0，Seiberg-Witten的结果并不能立即用来解决现实的理论问题。在Seiberg-Witten考虑的理论中，磁单极子起着非常重要的作用。磁单极子最早是由英国物理学家狄拉克在30年代初期从理论上讨论的，后来在70年代中期由于出现在大统一模型和其他模型中又激起了人们极大的兴趣。由于实验上一直没有找到磁单极子，一般认为磁单极子是很重的。在N=2超对称规范理论中，磁单极子的性质非常奇怪：随着理论中参数的变化，相互作用的强度越来越大，磁单极子将转变为质量为零的粒子。Seiberg-Witten证明了理论实际上有另外一种等价的对偶描述，在对偶描述下，电与磁是原来理论中的磁与电，两者是互换了的，电子与磁单极子是互换的，强的相互作用与弱的相互作用也是互换的。因此，可以利用这种对偶变换将强的相互作用问题化为弱的相互作用问题，然后用微扰论求近似解的方法解决。在对偶理论中，夸克禁闭的现象实际上就是通常的超导现象，这时两个磁单极子结合成一对给出有质量的规范场形成能隙，在原有理论中这就导致了电通量禁闭，电通量是由带电夸克给出的，电通量的禁闭就是夸克禁闭。由于磁单极子结合成对是由一破缺N=2到N=1超对称质量项给出的，以上结果实际上证明了N=1超对称理论是有夸克禁闭的。利用Seiberg-Witten理论，可以严格求解和定性讨论一大批N=1和N=2超对称规范理论，毫无疑问，这些结果和方法将会部分地应用于通常的非超对称理论如标准模型。在数学上，利用Seiberg-Witten的结果，已经成功地发展了一套强有力的研究四维流形微分拓扑性质的极有效的新方法。此外关于对偶性的研究又触发了人们对超弦理论的新认识，这些突破被许多著名物理学家猜测将引起本世纪自相对论和量子力学以来的又一次物理学的重要革命。

在量子论中，把electric field的Maxwell^,s equation量子化后，发展成为quantum electrodynamics ，简称QED；它是以Maxwell^,s equation和Dirac^,s equation为基础，研究电子、正电子和光子之间的相互作用的量子理论。QED的基本观点是：传递电磁作用的是一种叫做光子的玻色子，自旋为1，静质量为0；可以将电磁力解释为光子的交换。到目前为止，QED对各种物理过程的理论计算，都和实验结果高精度地符合，表明它有正确反映客观规律性的一面。

就象宏观现象和宇观现象中还有许多是人们已有的观念和理论所无法解释的一样，在微观世界中我们也还有许多是已有的观念和理论所无法解释的，这就要求我们修改旧有的观念和理论，甚至创立新的观念和理论。客观世界永远是人类不可超越的老师！我们能够做的是用一个改善的观念和理论去取代旧有的观念和理论，一代接一代地进行下去。这一切不能仅仅靠理论思索，更重要的是科学的实践。经得起客观实践检验的观念和理论才是有生命力的。