2004諾貝爾(ěr)獎評述:誇克世界的多彩發現(xiàn) (2004-10-15)
發布時間:2007-12-04
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來源:科學網
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諾貝爾(ěr)物理學獎(jiǎng)評委會認為,今年獲獎的三位(wèi)科(kē)學家發(fā)現的“漸近自由”現象,不僅深刻地改變了人們對自然界(jiè)基本作用力作用方式的理解,為量子色動力學理論奠定了基礎,完善了粒子物理學標準(zhǔn)模型,而且也(yě)讓科學(xué)家向實(shí)現對自然界四種力進行統一描(miáo)述的宏大夢想更進了一步(bù),最終(zhōng)將形(xíng)成一種涵蓋包括萬(wàn)有引力(lì)在(zài)內的解釋一切物(wù)理現象的理(lǐ)論體係。 人體(tǐ)的最小粒子
美國物理學家蓋爾曼、茲維格在1963年提出了物質組成的新理論,主張當(dāng)時所認知(zhī)構成物質的最小粒子中子(zǐ)、質子等,是由更基本的粒子“誇克(kè)”所構成的,也就是說誇克是物質世界(jiè),包括人類自身的最小構(gòu)成元素。
然而當人們試圖打開質子或者中子時,卻從未(wèi)發現單個的(de)、自(zì)由的誇克,隻(zhī)有兩個(gè)或(huò)3個誇克的集合體才能(néng)處於自由狀態,通常情(qíng)況下誇克總是被約束在質子和中子內(nèi)部。這是目前科學研究無(wú)法完全解釋的問題。了解誇克之間的相互作用力的性質,就有可能得到單(dān)個的自由誇克,從而解決這一難題(tí)。
中國科學院理論物理研(yán)究所研究員吳嶽良向記者介紹,1973年,格羅斯、波利策和維爾切克提出的“漸近自由”理論,為此提供了解釋。這(zhè)3位科學(xué)家(jiā)先(xiān)後在《物理評(píng)論快報》上發表(biǎo)文章,用數學模型解釋了誇克的上述神秘行為。他們的(de)發現表麵上看起來是完全矛盾的(de),在誇克之間距離很近的時候(hòu),相(xiàng)互(hù)作用會變弱,這跟宏觀的相互吸引力是完全不同的。三位科學家在(zài)上個世紀70年(nián)代提(tí)出的理論認為,強作用力會隨著誇克彼此(cǐ)間距離(lí)的增加而增大,因此沒有誇克可以從原子核中向外遷移,獲得真正的自由。這(zhè)些誇克會永久(jiǔ)地被結合在一起,因此(cǐ)不可能找到單個的誇克。同樣根據“漸近(jìn)自由”理論,強作用(yòng)力會隨著誇克(kè)間距離(lí)的變小而減弱,這意味著,約束在質子等內部(bù)的誇克(kè)在彼此距離足夠小時將近乎自由地進行運動。 標準模型的(de)基石
這三位科學家(jiā)發現的誇克漸近自由現象,為一個全新的理(lǐ)論??量(liàng)子色動力(lì)學??的誕生奠定了基礎。量子色動力學描述誇克間的(de)相互作用。量子色動力學認為,與電子帶有電荷類似,誇克和膠子(一種傳遞強作用力的(de)基本粒子)帶有色荷,基於色荷的色力或者強(qiáng)作用力(lì),具有比(bǐ)電磁力更為(wéi)複雜的(de)作用(yòng)方式和更為奇特的現象,“漸近自由”就是一個明顯例子。
中國科學院高能物理研究所研究員常哲告訴記者,誇克漸近自由現象的發現(xiàn),確立了粒子(zǐ)物理的標準模型(xíng)。非阿貝爾規範場的漸近自由性質使得物理學家可以對自(zì)然界各種作用力有一個統一的描述方式。標(biāo)準模型描述了目前(qián)為止發現的與強相(xiàng)互作用力、電磁相互作用力、弱相互作(zuò)用力有關(guān)的所有物(wù)理現象(xiàng)。通過科學家的不斷努力,標準模型已經具備了堅實的理(lǐ)論與實驗支持,它是惟一一(yī)種能夠兼顧現代物理學的兩大支柱(zhù)??愛因斯坦相對論(lùn)和量子力學的理論模式。由於格羅斯、波利策(cè)、維爾切克的發現,物理(lǐ)學家更接近了一個偉大夢想??為強相互作用力、電磁(cí)相互(hù)作用力、弱相互作用力、萬有引(yǐn)力構建(jiàn)一個統一的理論,一個適(shì)用於所有物質(zhì)的理論。
通過了解誇克間相互作用力的性質,就有可能找到打開自由誇克(kè)的辦法。如果能夠合理利用(yòng)誇克內部(bù)的強(qiáng)作用能,那麽人類就有可能獲得比核能還(hái)要大得多的能量,相關研究將有很大的應用潛力。吳嶽良指出,當我們(men)打開物質的每一個層(céng)次的(de)時候(hòu),都有很大的應用。例如從分子到原子,從原子到原子核。特別是原子核,我們可以利用核(hé)能,那麽(me)假如我們能夠把自由誇克打開,知(zhī)道在什麽能量之下我們能夠看到這個自由誇克,我們就可以合理地利用誇克裏麵的強作用能,而(ér)那個能量比我們的核能可能還要大得(dé)多。如果有一天,我們能夠充分認(rèn)識(shí)基本粒子及其相互之間的作用力(lì)並掌握和利用“粒子能”,那麽這種利用的效果將是空前的。同時利用粒子物理還可以(yǐ)進行有關(guān)宇宙學的研究(jiū),探(tàn)尋宇宙早期的演化。宇宙剛剛形成的瞬間(jiān),隻是(shì)以基本粒子的狀(zhuàng)態存在,研究(jiū)誇(kuā)克等基(jī)本粒子,將可以幫助科學家回溯宇宙的初始階段,從而了解宇宙(zhòu)由(yóu)過去到(dào)現在的演化曆程。 路漫漫其修(xiū)遠兮
這三位科學家的發現早(zǎo)已成為粒子物理研究的基石之一,然而這30年後的諾貝爾(ěr)獎是否有些姍姍來遲呢?常哲認為(wéi),對於這一問題,諾貝爾獎得主楊(yáng)振寧曾經說過,諾(nuò)貝爾獎是可遇而不可求的。基礎研究必(bì)然要經過一個艱辛的過(guò)程。長期的投入(rù),以及整體研究水平的提(tí)高才是獲獎的前提,真正的科學是經得起時間(jiān)的考(kǎo)驗與推敲的。一項科學研究的價值往往要經過漫長的道路才能被透徹地認識,也隻(zhī)有這樣(yàng)才能夠得到大眾的認(rèn)可,做學問切忌急功(gōng)近利。他說,這三位科(kē)學家都是拚命工作的人,心裏想的隻是如何解決一個(gè)又一個的科學問題(tí),並以此為樂,沒有浮(fú)躁,沒有雜念,做這件工作的時候不會想到能否得獎,當然是金子就會發光。
長期以來,我國科學(xué)家在粒子物理領域(yù)發現了一係列有意義的現象,做出了(le)多(duō)項世界一流水平的研究成果(guǒ),引起了國際同行的濃厚興趣,推動了誇(kuā)克理論的進一步進展。國際粒子物理界權威文獻《粒子物理評論》收錄的90年代以來的共113項粲誇克偶素物理方麵的(de)粒子數據中,我國的實驗數(shù)據就占了74項,占世界數據總量的65%。其中(zhōng)20多項數據是國(guó)際上首次報(bào)道的,相(xiàng)當(dāng)一 部分測量(liàng)達到了世界最高精度。可以(yǐ)說我國在這個能區的研究水平(píng)是世界第一。
據吳(wú)嶽良介紹,目前,粒子物理標準模型雖然已經取得了很(hěn)大的成功,尤其規範相互作(zuò)用(yòng)部分得到(dào)了越來越(yuè)精確的實(shí)驗驗證,但是粒子物理學家相信標準模型不可能是一個最基本的理論。因(yīn)為模(mó)型中關於對稱破缺和誇克禁閉(誇克被“囚禁”起來形成強子,在實驗中無法觀測到自由誇克的存在)的基本問題仍然是一個懸而未決的謎,並且涉及到18個未知(zhī)參數(shù),它們的起源也仍然不(bú)清楚。在這些方麵的任何實質性突破都能夠成為“原始創新”和“國際(jì)領先(xiān)”的研究成果。 戴(dài)維?格羅斯
國籍:美國
出生:1941年
學位:1966年 美國加州大學伯克利分校物理學博士
獲(huò)得時間和地(dì)點:1973年,美國普林斯頓大學
獲獎年齡:63歲
現(xiàn)任職地點:加(jiā)州大(dà)學聖巴巴拉分校卡夫利理論物理(lǐ)研究所(suǒ) 戴維?波利策
國籍:美(měi)國
出生:1949年
學位:1974年 哈佛大學(xué)物理學博士
獲得(dé)成果時間和地點(diǎn):1973年,哈佛大學
獲得年齡:55歲
現任職地點:加(jiā)州(zhōu)理工學院 弗蘭克?維爾切克(kè)
國籍:美國(guó)
出生:1951年
學位:1974年 美國普林斯頓大學物理(lǐ)學博士
獲得成果時間和地點:1973年,美國普林斯頓大學
獲獎年齡:53歲
現任職地點:美國麻省理工學院