本文關(guān)鍵詞：高能物理學(xué)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　高能物理學(xué)又稱粒子物理學(xué)或基本粒子物理學(xué)，它是物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，和在很高的能量下，這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因和規(guī)律。它是一門基礎(chǔ)學(xué)科，是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿之一。粒子物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而又基于實(shí)驗(yàn)和理論密切結(jié)合發(fā)展的。

　　原子的概念，是由2400年前的希臘哲學(xué)家德謨克利特，和中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的哲學(xué)家惠施提出來的�；菔┱f“至小無內(nèi)，謂之小一”，意思是最小的物質(zhì)是不可分的。這個(gè)最小的單元，也就是德謨克利特稱為原子的東西。但是他們都沒能說明原子或“最小的單元”具體是什么。之后的兩千多年間，原子這個(gè)概念，只停留在哲學(xué)思想的范疇。

　　1897年，湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子，1911年盧瑟福由α粒子大角度彈性散射實(shí)驗(yàn)，又證實(shí)了帶正電的原子核的存在。這樣，就從實(shí)驗(yàn)上證明了原子的存在，以及原子是由電子和原子核構(gòu)成的理論。

　　1932年，查德威克在用α粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。隨即人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而得到了一個(gè)所有的物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元──質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。

　　就在這個(gè)時(shí)候開始形成了現(xiàn)代的基本粒子概念。1905年，愛因斯坦提出電磁場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)單元是光子，1922年被康普頓等人的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，因而光子被認(rèn)為是一種“基本粒子”。1931年，泡利又從理論上假設(shè)存在一種沒有靜止質(zhì)量的粒子──中微子(嚴(yán)格地講是反中微子，中微子的存在是1956年由萊因斯和科恩在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)的)。

　　相對(duì)論量子力學(xué)預(yù)言，電子、質(zhì)子、中子、中微子都有質(zhì)量和它們相同的反粒子。第一個(gè)反粒子──正電子是1932年，安德森利用放在強(qiáng)磁場(chǎng)中的云室記錄宇宙線粒子時(shí)發(fā)現(xiàn)的，50年代中期以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他粒子的反粒子。

　　隨著原子核物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除了已知的引力相互作用和電磁相互作用之外，還存在兩種新的相互作用──強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

　　1934年，湯川秀樹為解釋核子之間的強(qiáng)作用短程力，基于同電磁作用的對(duì)比，提出這種力是由質(zhì)子和(或)中子之間交換一種具有質(zhì)量的基本粒子──介子引起的。1936年，安德森和尼德邁耶在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了一種新粒子，其質(zhì)量是電子質(zhì)量的207倍，這就是后來被稱為μ子的粒子。μ子是不穩(wěn)定的粒子，它衰變成電子、一個(gè)中微子和一個(gè)反中微子，平均壽命為百萬分之二秒。

　　湯川最初提出的介子的電荷是正的或負(fù)的。1938年，凱默基于實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的核力的電荷無關(guān)性的事實(shí)，發(fā)展了稍早些時(shí)候出現(xiàn)的同位旋的概念，建立了核力的對(duì)稱性理論。

　　1947年，孔韋爾西等人用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)μ子并沒有強(qiáng)作用。1947年鮑威爾等人在宇宙線中利用核乳膠的方法發(fā)現(xiàn)了真正具有強(qiáng)相互作用的介子，其后，在加速器上也證實(shí)了這種介子的存在。

　　從此以后人類認(rèn)識(shí)到的基本粒子的數(shù)目越來越多。就在1947年，羅徹斯特和巴特勒在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)v粒子(即K介子)，這就是后來被稱為奇異粒子的一系列新粒子發(fā)現(xiàn)的開始。由于它們獨(dú)特的性質(zhì)，一種新的量子數(shù)──奇異數(shù)的概念被引進(jìn)到粒子物理中。在這些奇異粒子中，有質(zhì)量比質(zhì)子輕的奇異介子，有質(zhì)量比質(zhì)子重的各種超子。在地球上的通常條件下，它們并不存在，在當(dāng)時(shí)的情況下，只有借助從太空飛來的高能量宇宙線才能產(chǎn)生。

　　這些發(fā)現(xiàn)了的基本粒子，加上理論上預(yù)言其存在，但尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)的引力場(chǎng)量子──引力子，按相互作用的性質(zhì)，可分成引力子、光子、輕子和強(qiáng)子四類。為了克服宇宙線流太弱這個(gè)限制，從50年代初開始建造能量越來越高、流強(qiáng)越來越大的粒子加速器。實(shí)驗(yàn)上也相繼出現(xiàn)了新的強(qiáng)有力的探測(cè)手段，如大型氣泡室、火花室、多絲正比室等，開始了新粒子的大發(fā)現(xiàn)時(shí)期。

　　到了60年代頭幾年，實(shí)驗(yàn)上觀察到的基本粒子的數(shù)目已經(jīng)增加到比當(dāng)年元素周期表出現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的數(shù)目還要多，而且發(fā)現(xiàn)的勢(shì)頭也越來越強(qiáng)。1961年，，由蓋耳-曼及奈曼類比化學(xué)元素周期表提出了，用強(qiáng)相互作用的對(duì)稱性來對(duì)強(qiáng)子進(jìn)行分類的“八重法”。

　　八重法分類不但給出了當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子在其中的位置，還準(zhǔn)確地預(yù)言了一些新的粒子，如1964年用氣泡室實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的Ω粒子。八重法很好地說明粒子的自旋、宇稱、電荷、奇異數(shù)以及質(zhì)量等靜態(tài)性質(zhì)的規(guī)律性。

　　在此階段中，證實(shí)了不單電子，所有的粒子，都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一個(gè)帶電的反超子是由中國(guó)的王淦昌等在1959年發(fā)現(xiàn)的。此外，還發(fā)現(xiàn)了為數(shù)眾多的壽命極短經(jīng)強(qiáng)作用衰變的粒子──共振態(tài)。

　　基本粒子大量發(fā)現(xiàn)，使人們懷疑這些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面臨一個(gè)突變。

　　20世紀(jì)40年代到60年代，對(duì)微觀世界理性認(rèn)識(shí)的最大進(jìn)展是量子力學(xué)的建立。經(jīng)過一代物理學(xué)家的努力，量子力學(xué)能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收及輻射等等現(xiàn)象，特別是當(dāng)它同狹義相對(duì)論結(jié)合而建立相對(duì)論性量子力學(xué)以后，它已經(jīng)成為微觀世界在原子、分子層次上的一個(gè)基本理論。

　　但是，量子力學(xué)還有幾個(gè)方面的不足：它不能反映場(chǎng)的粒子性；不能描述粒子的產(chǎn)生和湮沒的過程；它有負(fù)能量的解，這導(dǎo)致物理概念上的困難。量子場(chǎng)論是由狄喇克、約旦、維格納、海森伯和泡利等人在相對(duì)論量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過場(chǎng)的量子化的途徑發(fā)展出來的，它很好地解決了這三個(gè)問題。

　　庫什和福里1947年發(fā)現(xiàn)的電子反常磁矩，和由蘭姆等發(fā)現(xiàn)的氫原子能級(jí)的分裂，只有通過量子電動(dòng)力學(xué)的重正化理論才能得到正確的解釋。今天，量子電動(dòng)力學(xué)已經(jīng)經(jīng)受了許多實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，成為電磁相互作用的基本理論。

　　并非所有的基本粒子都是“基本”的想法，最早是在1949年由費(fèi)密和楊振寧提出的。他們認(rèn)為，介子不是基本的，基本的是核子，而介子只是由核子和反核子構(gòu)成的結(jié)合態(tài)。1955年，坂田昌一擴(kuò)充了費(fèi)密和楊振寧的模型提出了強(qiáng)子是由核子、超子和它們的反粒子構(gòu)成的模型。

　　1961年，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了不少共振態(tài)。1964年，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子(包括共振態(tài))的種類增加到上百種，因而使得蓋耳-曼和茲韋克提出，產(chǎn)生對(duì)稱性的基礎(chǔ)就是構(gòu)成所有強(qiáng)子的構(gòu)造單元，它們一共有三種，并命名為夸克。

　　20世紀(jì)60年代以來，在宇宙線中、加速器上以及在巖石中，都進(jìn)行了對(duì)夸克的實(shí)驗(yàn)找尋，但迄今還沒有被確證為成功的報(bào)道。在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。雖然在這些加速器上沒有找到夸克。但卻得到了間接的，但是更有力地說明夸克存在的證據(jù)。

　　與強(qiáng)子的數(shù)目急劇增加的情況相反，自從1962年利用大型火花室，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了兩類中微子之后，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)已知的輕子就只有四種，但是到了1975年情況有了改變，這一年佩爾等在正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的輕子，它帶正電或帶負(fù)電，達(dá)質(zhì)子的兩倍，所以又叫重輕子。與它相應(yīng)，普遍相信應(yīng)有另一種中微子存在，但是尚未得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。

　　夸克理論提出不久，就有人認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子的強(qiáng)相互作用和弱相互作用的研究應(yīng)建立在夸克的基礎(chǔ)上，同時(shí)還要充分考慮強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)特性和各種過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，才能正確地解釋強(qiáng)子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動(dòng)態(tài)性質(zhì)。1965年，中國(guó)發(fā)展的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的層子模型，就是這個(gè)方向的首批研究之一。層子的命名，是為了強(qiáng)調(diào)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的無限層次而作出的。在比強(qiáng)子更深一層次上的層子，就是夸克。近20年來，粒子物理實(shí)驗(yàn)和理論發(fā)展的主流，一直沿著這個(gè)方向，在弱作用方面，已有了突破性的進(jìn)展，在強(qiáng)作用方面，也有重大的進(jìn)展。

　　最早的弱相互作用理論，是費(fèi)密為了解釋中子衰變現(xiàn)象在1934年提出來的。弱作用宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)，給弱作用理論的研究帶來很大的動(dòng)力。隨后不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應(yīng)當(dāng)具有的形式，而且適用于所有的弱作用過程，被稱為普適費(fèi)密型弱相互作用理論。

　　1961年，格拉肖提出電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一理論。這個(gè)理論的基礎(chǔ)，是楊振寧和密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)論。但是在這個(gè)理論里，這些粒子是否具有靜止質(zhì)量、理論上如何重正化等問題，沒有得到解答。

　　1967～1968年，溫伯格、薩拉姆闡明了作為規(guī)范場(chǎng)粒子是可以有靜止質(zhì)量的，還算出這些靜止質(zhì)量同弱作用耦合常數(shù)以及電磁作用耦合常數(shù)的關(guān)系。這個(gè)理論中很重要的一點(diǎn)是預(yù)言弱中性流的存在，而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)上并沒有觀察到弱中性流的現(xiàn)象。由于沒有實(shí)驗(yàn)的支持，所以當(dāng)時(shí)這個(gè)模型并末引起人們的重視。

　　1973年，美國(guó)費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室和歐洲核子中心在實(shí)驗(yàn)上相繼發(fā)現(xiàn)了弱中性流，之后，人們才開始對(duì)此模型重視起來。在1983年，魯比亞實(shí)驗(yàn)組等在高能質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的特性同理論上期待的完全相符規(guī)范粒子，這給予電弱統(tǒng)一理論以極大的支持，從而使它有可能成為弱相互作用的基本理論。

　　目前，粒子物理已經(jīng)深入到比強(qiáng)子更深一層次的物質(zhì)的性質(zhì)的研究。更高能量加速器的建造，無疑將為粒子物理實(shí)驗(yàn)研究提供更有力的手段，有利于產(chǎn)生更多的新粒子，以弄清夸克的種類和輕子的種類，它們的性質(zhì)，以及它們的可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　弱電相互作用統(tǒng)一理論日前取得的成功，特別是弱規(guī)范粒子的發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)了人們對(duì)定域規(guī)范場(chǎng)理論作為相互作用的基本理論的信念，也為今后以高能輕子作為探針探討強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、夸克及膠子的性質(zhì)以及強(qiáng)作用的性質(zhì)提供了可靠的分析手段。在今后一個(gè)時(shí)期，強(qiáng)相互作用將是粒子物理研究的一個(gè)重點(diǎn)。

　　把電磁作用、弱作用和強(qiáng)作用統(tǒng)一起來的大統(tǒng)一理論，近年來引起相當(dāng)大的注意。但即使在最簡(jiǎn)單的模型中，也包含近20個(gè)無量綱的參數(shù)。這表明這種理論還包含著大量的現(xiàn)象性的成分，只是一個(gè)十分初步的嘗試。它還要走相當(dāng)長(zhǎng)的一段路，才能成為一個(gè)有效的理論。

　　另外從發(fā)展趨勢(shì)來看，粒子物理學(xué)的進(jìn)展肯定會(huì)在宇宙演化的研究中起推進(jìn)作用，這個(gè)方面的研究也將會(huì)是一個(gè)十分話躍的領(lǐng)域。

　　很重要的是，物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，粒子物理學(xué)也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探測(cè)手段的出觀，將是意義深遠(yuǎn)的。

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