粒子大家族

1930年代以降，除了已知的电子、光子和质子外，物理学家们陆续发现了许多粒子。1935年还只有4种粒子，到1948年粒子就增加到40种，进入1960年代已知的粒子已多达百余种，形成了一个庞大的粒子大家族。这种情况的出现一是由于有了描述微观粒子的基本动力学理论量子力学，二是发明了检测和产生粒子的新仪器。

量子力学使物理学进入了一个新时期，从实验物理学家走在前面转为理论物理学家走在前面了。以前实验物理学家在偶尔擦亮了神灯之后，面对巨大的灯神不知所措，而理论物理学家也是小心翼翼地与灯神对话。到1930年代，理论物理学家的思想飞翔起来，开始主动地根据灯神的线索猜测灯神的族谱，拼出一副拼图游戏的主要部分以后，就敢于大胆想象剩下的空缺。于是正电子、中微子、介子等粒子一个接一个地被预言。在建立这些方程的过程中，美的原则起了超乎外人想象的作用。在物理学家看来，美意味着对称、简洁、和谐。理论物理学家仍然在时间古老的科学梦想，从一个简单的原理出发，从一个简单的公式出发，推导出万千世界。

要是没有相应的仪器，很快证实理论物理学家的几乎一语成谶的诸多预言，粒子大家族也是不能形成的。为研究放射性和宇宙射线科学家们先后发明了种种测量仪器，荷兰物理学家威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson，1869—1959）发明记录粒子径迹的膨胀云雾室（1907年），德国物理学家盖革（Hans Geiger，1882—1945）等人发明计数管和记数器（1908年），英国物理学家考克罗夫特（John Douglas Cockcroft，1897—1967）发明了电压倍增器（1932年），美国物理学家范德格拉夫（Robert Jemison Van de Graaf，1901—1967）发明了加速粒子的静电加速器（1931年），美国物理学家劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901—1958）发明了回旋加速器（1931年），鲍威尔发明核乳胶（1945年），美国物理学家格拉塞发明气泡室（1952年），后来又发明了同时加速两种粒子的对撞机。由于加速器和对撞机的不断改进，可以在低能（100兆电子伏以下）、中能（100兆电子伏至3吉电子伏）和高能（3吉电子伏）状态下研究各种粒子的相互转化的行为。

●正电子的预言和发现

正电子是粒子大家族中第一个先由理论预言而后由实验发现的新粒子。它的发现源于为了解释原子光谱线和元素周期表而对电子性质所进行的深入研究，特别是电子自旋的发现。正常的塞曼效应，即1896年荷兰物理学家塞曼（Peter Zeemann，1865—1943）发现的原子光谱线在磁场中的二分裂和三分裂现象，洛伦兹电子论和玻尔-索末菲的原子理论都能予以合理的解释，但对于四分裂和六分裂的所谓反常塞曼现象却又都无能为力。直到1920年，关于原子中的电子组态问题还没有解决。朗德（Alfred Lande，1888—1975）论文《论立方型原子、周期表和分子结构》（1920年）引起玻尔对原子的空间电子组态的注意，1921年10月玻尔在哥本哈根物理学会和化学会联合召开的会议上发表《各元素的原子结构及其物理性质和化学性质》，以元素周期表的理论说明为主线系统地阐述了他的原子结构理论。玻尔依据经验排列出电子组态，但没有从理论上予以说明。1925年1月德国物理学家泡利（Wolfgang Pauli，1900—1958）发表《论复杂光谱结构同原子中电子组态闭合的关系》，提出不可能有两个或两个以上的电子处在同一个状态之中，即泡利不相容原理。在得知泡利不相容原理后，克罗尼格立即想到康普顿（Authur Holly Compton，1892—1962）为了说明磁性而引进电子的自旋的概念（1921年）可以用来说明反常塞曼效应，但由于不能自信而错过了优先权。1925年10月荷兰物理学家乌伦贝克（George Eugene Uhlenbeck，1900——）和德斯密特（Samuel Abraham Goldchmidt，1902—1958）在《自然》杂志上发表了电子自旋的论文。

电子自旋的发现不仅使人们对电子的认识深入了一步，而且由于电子自旋的相对论效应无论是波动量子力学还是矩阵量子力学都无能为力。1928年狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902—1984）发表《电子的量子理论》，建立了包含泡利自旋的相对论性电子波动方程，实现了量子力学与狭义相对论的统一。这个方程有四组解，其中两组是关于电子自旋的，而另外两组是关于电子能量的。两个自旋解相当于电子自旋的顺时针和逆时针两个自旋方向，而两个能量解相当于电子的正能态和负能态。而负能态是物理上不允许的，为了解释它狄拉克于1929年提出真空是由负能态电子填满的“负能电子海”，若其中某一电子通过俘获能量从负能态跃迁到正能态，那么它就作为正能态的正常电子存在而在真空留下一个带正电荷具有负能量的“空穴”。最初狄拉克曾设想这荷正电的空穴粒子可能是质子，1930年奥本海默从数学考虑提出空穴粒子的质量必须与电子的质量相同并且质子应另有其自己的反粒子，狄拉克接受了奥本海默的意见并于1931年正式预言存在一种电子的反粒子，既除了所带电荷符号与电子相反之外同电子性质完全相同一种新粒子——反电子。狄拉克相信方程美学预言力，因而进一步声称，一切粒子都有自己的反粒子对应物，并且正粒子和反粒子应同时产生和湮灭。在这里我们看到，理论物理学家凭借方程的美学结构，勇敢地向人们宣布了一个反物质世界的存在。

狄拉克预言的反电子在1932年被美国物理学家安德森（C.B.Anderson，1905—）在云室发现了，他当时不知道狄拉克的理论，称之为正电子。1932年8月2日，安德森在宇宙射线的照片中发现了一张与众不同的粒子径迹，经过一个通宵的努力，他认定这是带正电的粒子留下的径迹。安德森并非有意寻找狄拉克的反电子，这一发现可以说是偶然的。安德森因发现狄拉克预言的反电子而获1936年度诺贝尔物理学奖。预言与发现的含义已不同于经典物理学的意义。说安德森发现了正电子，并不是说他能把正电子装在一个盒子里给别人看。他所发现的只是云室中一个轨迹，这个轨迹只能用具有那样性质的正电子来解释。别的物理学家要看到他的发现，可以去重复他的实验，也可以设计一个新的实验，得到能够与那种粒子对应的轨迹或者仪器的读数。预言的意思也应该从这个角度来理解。物理学家在讨论微观世界的时候，使用的虽然是经典语言，但彼此心里都知道是怎么回事，毕竟经典更加形象。这似乎也是玻尔互补原理的一个体现。

其实，按狄拉克的正负粒子同时产生和湮灭的预言分析，在安德森之前，1930年中国物理学家赵忠尧（1902—1996）发现的射线的反常吸收正式正负电子对湮灭的现象，由于没有这一观念而未与正电子联系看待。在安德森稍后，1933年英国物理学家布莱克特（Patrick Manard Stuart Blackett，1897—1974）和意大利物理学家奥利尼（G.P.SOcchilini，1907—）发现了正负电子对产生。狄拉克的反电子预言得到完全证实。

●中子的发现

最先设想中子作为原子核成分的是卢瑟福。因为质子带正电荷，其电量与电子相等，而其质量与电子相比则要大得多得多，对于只有一个质子的氢原子来说没有问题，但假定所有元素的原子核都是由质子组成的就遇到了带正电荷的质子如何克服它们之间的静电斥力而维持一个稳定的原子核的困难。卢瑟福在1920年的一次演讲时曾经说：原子中有带正电的质子，有带负电的电子，为什么不能有一种不带电的中性粒子呢！卢瑟福当时所设想的这种中性粒子是由电子和质子结合而成的，他希望这种中子有胶水一样的功能把质子们粘在一起。1930年，德国物理学家玻特（W.Bother，1891—1957）和他的学生贝克（H.Becker）用钋放射出来的α粒子轰击金属铍，产生了一种穿透力非常强的不带电的辐射，他们认为是一种高能的γ射线。1932年1月，居里夫人的女儿（Jean Frederic 1900—1958）和女婿约里奥—居里（Joliot Curie，1897—1956）夫妇俩用玻特发现的辐射去轰击包含很多氢原子的石蜡，竟发现有质子被打了出来。但他们仍然用γ射线的康普顿效应来解释。但γ射线很难具有如此大的能量。当卢瑟福的学生查德威克（James Chadwick，1891—1974）向卢瑟福谈到约里奥-居里夫妇的这种解释时，卢瑟福以少有的激烈情绪说出了北岛的诗句：“我不相信！”于是查德威克重新做了这个实验。他不仅用那种射线轰击氢，还用来轰击氦和氮，终于弄清了这种强辐射的性质。它是一种与质子质量相差无几，但是不带电的粒子。这正是卢瑟福10年前所期望的粒子。查德威克把它命名为中子，并于1932年2月发表了他的成果。查德威克因发现中子获得1935年的诺贝尔物理学奖。

1932年，德国物理学家海森堡与苏联物理学家伊凡宁柯各自独立地提出了原子核由中子和质子构成的核结构模型。按照这个模型，元素的原子序数就是其中的质子数，原子量则是质子与中子之和。两个质子数相同中子数不同原子称为同位素。由于原子的化学性质只与原子序数或者质子数相关，所以同位素的化学性质完全相同，在元素周期表上占据同一个位置，故有此名。所有元素的原子量都是整数，少数原子的非整数原子量只是其共存的同位素取平均的结果。构成化学反应的基本单元的原子是由原子核与电子组成，原子核又是由中子和质子组成的，组成原子核的中子和质子统称核子。

关于质子和中子怎样结合成原子核，费米把核子类比为气体分子在球形的原子核范围内运动，玻尔则把原子核想象为由核子组成的液滴（936年），而惠勒猜测在原子核内运动的是由两个质子和两个中子构成的α集团（1938年），后来美国物理学家迈耶夫人（Maria Goeppert Mayer，1906—1972）提出壳层模型（1948年）。

●中微子的预言和发现

原子核结构成分的认识，在化学的意义上古希腊的理想似乎得到了实现，物质的确由几种简单的基本单元所构成。但是在物理学的意义上则尚有许多等待阐明的问题，主要要阐明核子靠什么力结合在一起和原子核在什么力作用下衰变。

原子核能的β衰变早在1899年就已被卢瑟福发现了。但这个过程能量不守恒的发现给物理学带来一次小小的危机。因为β衰变被理解为一种原子核由于发射一个电子而衰变成另一种原子核，子核同母核相比质量数不变而增加一个电荷。如果能量守恒原理被遵守的话，那么被发射的电子的能量应该是确定的。但是，1910年以来实验发现，β衰变的发射和吸收现象是一种复杂的过程。1914年查德威克研究表明各种放射性物质所发射的β射线都是有峰值的连续谱。1927年埃利斯（J。Ellis）和沃斯特（W.A.Wooster）通过铅快吸收β射线的热测量发现，电子在吸收物质中没有能量损失而每个电子所具有的峰值能量相差甚多，并且只有对应能谱峰值的电子的能量才等于母核与子核的能量差，因而推论出被放射性物质发射的β粒子彼此具有不同的能量。1929年迈特纳（Lise Meitner，1878—1968）等人的实验证实了埃利斯的结论。1930年玻尔等人据此提出β衰变不遵守能量守恒定律，而泡利则认为作为自然界普适定律的能量守恒原理不能放弃。在1930年12月的一次物理学会议上，泡利建议由一个未知粒子弥补缺失的能量，并根据能量守恒定律反推出它的性质：质量极小，不带电荷，与电子有相同的自旋。

中子发现后的1932年，海森堡曾推测β衰变是中子放出一个电子而变成质子的过程，而且认为中子是质子和电子的复合体。但这种推测与角动量守恒相矛盾，因为质子和电子的自旋都是1/2，它们两者不能合成中子的角动量。1933年贝特（Hans Albrecht Bethe，1906—）提出β衰变的一种复杂过程，先是原子核放出γ射线，接着是γ射线产生正负电子对，然后原子核吸收正电子增加一个核电荷而变成另一种原子核，残余的电子就是我们观测到的β射线，但中间过程能量不守恒的缺点令人难以接受。正确的β衰变理论是由费米（Enrico Fermi，1901—1954）提出的，首先在其1933年的论文《原子核的结构和属性》中他把泡利的中性粒子命名为中微子并指出中子和中微子的区别。1934年初费米结合泡利和海森伯的思想，提出β衰变是中子放出电子和中微子而衰变为质子的过程，相反的质子转化为中子的过程必有电子和中微子的湮灭。费米不仅提出上述以粒子转化为基础的β衰变理论，还同时论证了这种转化根源于一种尚未理解的新的相互作用力——弱相互作用。

中国物理学家王淦昌在其论文《探测中微子的一个建议》（1942年）中，提出测量β衰变原子核反冲能量和动量的可行方案，推进了中微子的实验发现。一般β衰变的末态是由原子核、电子和中微子构成的三体，衰变释放的能量在三体之间分配，且它们都具有连续的能量分布，因而不易测量。王淦昌建议利用末态只有二体反冲原子核和中微子的K俘获，即轻原子核俘获K层电子释放中微子的过程，以使测量工作简化。好几位科学家按王淦昌的方案实验，1942年阿伦（J.S.Allen）按王淦昌方案所进行的实验已足以为中微子的存在提供了证据，1952年罗德拜克（G.W.Roderback）和阿伦的新实验则完全证实了这一方案的正确性。1955年，美国洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家雷诺（Frederic Reines，1918—）和寇文（Clyde Cowan，1919—）在裂变反应堆的测量中观测到中微子与质子相撞放出正电子而转化为中子的过程，美国科学家戴威斯（Reymond R，Davis）测量到中微子，1962年美国布鲁克海文小组的物理学家又发现另一种中微子，证实了两种中微子存在。

●介子的预言和发现

早在1932年海森伯就从电磁作用类比出发，提出质子和中子通过交换力维系一个稳定结构的思想。1934年初，在费米提出β衰变理论和弱相互作用力后，苏联物理学家塔姆和伊万宁科提出由非零质量粒子传递核力的设想，但根据费米的理论计算中子和质子之间交换一个电子和反中微子所产生的程力，其结果是理论值不及观测值的十万分之一，不足以产生β衰变和形成强大的核力。这使得玻尔倾向认为量子力学不适用于原子核，而且拒绝费米理论，并特别不满意泡利的中微子假说。

1934年11月，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukuwa，1907—1981）提出强相互作用的媒介不会是电子，而是一种新的重粒子粒子。他的计算表明，这种新粒子的质量介于质子和电子之间，所以他称之为“重光子”。它的质量大约为电子质量的200倍，可能有正、负、零三种电性。核子以一定的几率放出重光子，被另一个核子吸收，由于重光子有质量能量守恒定律不被遵守，但在量子力学不确定关系范围内这种情况还是允许的。

汤川的理论最初并未受到重视，因为不曾存在过这样大质量的粒子，玻尔像反对泡利的中微子一样反对汤川的新粒子。1936年发现正电子的安德森在宇宙射线中找到了质量约为电子质量200倍的一种新粒子，他称之为“介子”。人们以为安德森发现的介子就是汤川预言的重光子。不久康非西（M.Confesi）和彭西尼（E.Poncini）就证明，安德森发现的新粒子与核力无关，它的寿命不及汤川理论要求的1%。1942年坂田昌一（1911—1970）等人提出二介子理论，一种为核力的传递者，另一种不与原子核发生作用，后来前者被称为派介子（π）而后者被称为缪介子（μ），并且预言派介子可以自发地衰变为缪介子。

1939年第二次世界大战爆发，大批优秀的知识分子包括物理学家逃出了德国。二战期间，许多优秀的物理学家投身到制造原子弹的曼哈顿工程之中，直到战争结束，才回到各自喜好的领域。粒子物理学在这一段时间的暂停后又蓬勃起来，显见的标志就是一大批新的粒子被发现出来。1947年，英国物理学家鲍威尔（C.F.Powell，1903—1969）利用照相乳胶术在宇宙射线中找到了质量为电子质量273倍的派介子，证实了汤川的预言。派介子的寿命很短，在2%微秒以后就衰变为质量为电子质量207倍的缪介子，证实了坂田的二介子理论。1948年苏联和美国物理学家都在加速器上产生出大量的派介子，其带电性有正、负和中性三种，中性派介子的质量为电子质量的273倍，正、负两种派介子的质量为电子质量的207倍。1948年中国物理学家张文裕（1910——）发现带负电的缪子在速度减慢之后可以像电子一样在原子的轨道上形成一种特殊的原子——缪原子。汤川因理论地预言介子的贡献获1949年度诺贝尔物理学奖，而鲍威尔因实验地发现新介子而获1950年度的诺贝尔物理学奖。

●奇异粒子和共振态

1947年英国物理学家罗切斯特（Rochester）和玻特勒（Butler）在云雾室照片中发现，两个质量约为电子质量1000倍的新粒子，它们被称为开介子（K）。中性开介子衰变为正负派介子对，正开介子衰变为正缪子和γ光子。1949年鲍威尔又在高空气球上的气体中记录下开介子和反派介子的径迹，从而又发现两种新粒子。1949年英国布利斯特小组利用乳胶照相术发现——涛子（τ）。1954年福勒（Fowler）等人发现质量约为电子质量1000多倍的拉姆达粒子（Λ）。此后又接连发现质量为电子质量2000倍的超子（Σ，Ξ，ρ）。

这些粒子与光子、电子、质子、中子、正电子、中微子、派介子和缪子不同，它们协同产生非协同衰变，即在碰撞过程中两个奇异粒子一起产生，而在衰变过程中每个粒子可以独立进行，直到衰变成已知的非奇异粒子。它们产生和衰变的时间有明显的差别，产生的时间短到10-24秒，而衰变的时间则长到10-10秒。由于它们的这种奇怪特性一时无法解释，就称它们为奇异粒子。通过大量的实验分析，1954年盖尔曼引进奇异量子数（S），在强相互作用中奇异数守恒。

共振态粒子共振态粒子是那些在加速器中产生的，寿命仅有10-23秒的粒子。它们被称之为共振态是因为，其不稳定性似乎表明它们是其他稳定粒子的共振态。有几百这样的不稳定的粒子，它们参与强相互作用。