多彩的粒子物理学

荷兰物理学家维尔特曼，1999年获得诺贝尔物理学奖。

荷兰物理学家M.维尔特曼（Martinus Veltman，1931— ，1999年获诺贝尔物理学奖）在他的《神奇的粒子世界》（Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics）一书中写道：

20世纪见证了物理学无与伦比的进步。这个世纪的前半叶，基础物理由相对论、爱因斯坦的引力理论和量子力学所主导。而在其后半叶，人类目击了基本粒子物理学的异军突起。虽然物理学的其他分支也取得了长足的进步，但在某种意义上诸如超导现象的发现和超导理论的建立等，只是在广度上，而不是深度上扩充了我们对物理世界的理解，因而丝毫不会影响我们对自然基本规律的认识。任何在低温物理或统计力学领域工作的人都不会认为这些领域的发展会影响我们对量子力学的理解，无论它们是多么重要。……

或许最好通过一个类比来说明我们所持有的观点。对我们来讲，时空和量子力学规律就像舞台装饰，是表演的布景。基本粒子是演员，物理学就是它们的表演。我们看到的舞台上的门，不一定就是真的。只有当我们看到有演员走过时，我们才知道这是一扇门。否则，可能只是一个假门，是画上去的。

美国物理学家佩格斯（Heinz Pagels）在他的《宇宙密码》（Cosmic Code）一书中写道：

物理学家们把人类的知觉延伸到最远的时间和空间，深入到物质的结构。他们发现，在原子和分子以外存在着一个新的王国。原子的内心是核。把原子核束缚在一起的那种力也产生了一组新的被称为强子的粒子——以前从未见过的物质形式。而这些强子又由更基本的被称为夸克的粒子组成。物理学家们已经深入到夸克和其他量子粒子的天地，宇宙万物都可由这些粒子构造出来。在我们的仪器所能达到的最小尺度内，物理学家已经发现了统一自然界各种力的基本规律。

要理解这些基本粒子的世界，需要我们把量子论与爱因斯坦关于时间和空间的狭义相对论结合起来。这一结合的产物被称为相对论量子场论，它能描写量子粒子的产生和消灭。它代表了本世纪伟大的智力成就，并完成了物质世界的一幅新的图像。物理学家应用复杂而优美的关于对称性的理论，找到了他们几十年以来梦寐以求的统一场论。

由维尔特曼和佩格斯上面的话里可以看出，量子力学和基本粒子物理学关系密切。实际上，正是相对论和量子力学的兴起和发展，基本粒子物理学的语言——量子电动力学的建立，促使基本粒子物理学兴起和发展；反过来，基本粒子物理学的发展，又考验和锻炼了量子电动力学，推动它继续发展和前进。

从基本粒子发现的历史也可以明显地看出这一点。1897年汤姆逊发现电子的时候还没有量子理论；1920年卢瑟福发现质子和提出中子假设的时候，量子理论虽然有了，但是对理论没有兴趣的卢瑟福并没有利用量子理论。（不过，在证实中子是一个基本粒子而不是质子和电子的复合粒子的时候，曾经利用过量子理论。）

1931年泡利提出中微子假设时，已经开始利用量子力学的发现（如基本粒子的自旋），到费米用β衰变理论证实中微子存在时，用的则都是量子理论了。

此后，正电子的发现，介子、规范粒子（gauge particles，如W±、Z0、夸克、胶子以及希格斯粒子，等等）的提出，则完全根据量子场论的原理。正因为这一原因，我们下面从正电子在实验中的发现讲起，而且只能选择几个最精彩、最重要的故事讲。