——纪念美国物理学家默里·盖尔曼先生

默里·盖尔曼先生

当地时间5月24日，美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）辞世，享年89岁。盖尔曼是一位粒子物理学界的奇才，作出了许多奠基性的工作。自20世纪50年代以来，盖尔曼在粒子物理学中一直扮演着最重要的角色。特别是他于1964年提出的夸克模型，开辟了人们对物质结构认识的新篇章，被誉为“夸克之父”，并因此于1969年获得诺贝尔物理学奖。

 一、盖尔曼其人

 盖尔曼于1929年9月15日出生于美国纽约城。他的父亲阿琵·盖尔曼是一位语言教师，并且通晓数学、天文学和考古学。受他父亲的影响，盖尔曼终生爱好语言学和数学。

 盖尔曼从小就显示出很高的天赋，常被人们称为奇才。8岁那年就获得了一笔奖学金，从一家地方公立学校升人纽约的一所高级学校。虽然盖尔曼的各门功课的考试成绩非常优异，但那时他并不喜欢学校的生活。他认为，学校“太单调乏味”，甚至“物理也是相当令人厌烦的”他时常放学后在家里学习他感兴趣的语言学和历史等少数几门学科。不过，学校里的橄榄球这项体育运动盖尔曼还是十分喜欢的。

 盖尔曼刚满15岁时就考入了耶鲁大学，入学那天刚好是他的15岁生日。“由于比其他同学年龄都小，因而容易受到伤害，尤其是在我个性发展还不成熟时。”他父亲倾向于让他学习工程专业，但他不能接受。由于当时没有其它选择，他只好在入学表格上填写上了与之相近的物理专业。因此，盖尔曼认为，他能成为一位物理学家纯属偶然。

 盖尔曼于1951年元月获得了博士学位。由于在研究生期间的出色工作，盖尔曼被资助到普林斯顿高级研究院工作一年（1951年）。1953年，盖尔曼升为助理教授，并在此年提出了著名的奇异量子数概念。这使年仅24岁的盖尔曼很快就成为粒子物理学界的重要人物。1955年9月，盖尔曼接受了加州理工学院物理学副教授的位置，并于次年成为教授。1967年，他成为了这里的R·A·密立根理论物理学教授。

 盖尔曼对待科学工作有许多独特的风格，他喜欢通过报告、论文会和交谈与其他物理学家交流思想。他不轻易发表文章，认为发表一个错误的观点对一个人的科学生涯将留下洗不掉的污点。他认为，一个理论学家的洞察力将由他所发表的正确观点数目减去错误的数目，甚至减去两倍的错误数目来衡量。盖尔曼的另一个特点是，总是喜欢将他的观点推迟一段时间（一年或一年半左右）发表出来，甚至永不发表。如他的一些重要工作只是作为预印报告成为原始文献。盖尔曼认为，这可能是由于他想让事情考虑得更成熟一些。他还善于根据他所熟悉的实验事实和理论基础，提出深刻的物理直觉。他注重他人的观点，反对教条；他时常另辟新的途径来思考问题。正像他对待生活那样，他对待科学也极富挑战性和冒险性。他不拘于科学的传统，时常提出一些新奇的科学概念和理论，如分数电荷夸克，因而常有人认为盖尔曼有些“离经叛道”。他独特的文学风格还时常在他的科学方案的命名中反映出来，如“八重法”、“夸克”和“颜色”等术语。

 盖尔曼的兴趣爱好十分广泛。他喜欢滑雪、登山旅行，他喜欢研究野生动物和鸟类。他是一个痴迷的鸟类观察者，他曾漫游了大半个世界去寻找新奇的鸟类，并用他的望远镜观察到了数百种鸟。他还喜好音乐和娱乐。对待生活，他喜爱寻求挑战和冒险，反对单调乏味，他喜欢参加各项活动。此外，他还对美国的教育、科学和宗教、科学与艺术、日益增长的人口问题以及日益恶化的自然环境等方面发表过自己独到的见解。

 二、早期的重要研究

 盖尔曼的主要科学贡献之一是关于奇异量子数的研究（奇异粒子）。20世纪40年代末到50年代初，人们首先是从宇宙线实验，随后是在加速器实验中，发现了一批行为“奇特”的粒子，这些粒子的奇特之处在于它们通过强作用产生，却通过弱作用衰变，这按当时的理沧是无法解释的。

 1952年初，刚到芝加哥大学的盖尔曼开始研究奇异粒子问题，在1954年的格拉斯哥会议上，他就发表了有关奇异数的重要论文“同位旋和新的不稳定粒子”，并于1956年发表了题为“作为位移荷多重态的新粒子的解释”的论文，进一步详细地论述了他的奇异量子数概念，并提出了盖尔曼-西岛法则。

 奇异数方案的提出，不仅解释了奇异粒子的行为，而且还预言了一些新的奇异粒子，这些粒子后来陆续为实验所证实。它不仅建立了基本粒子与相互作用之间的一个逻辑、简明的关系，而且为后来强子分类的研究工作奠定了基础。奇异数守恒已成为粒子物理学中的一个基本原则。

 50年代初，盖尔曼在研究奇异量子数的同时，还从事了许多其它重要课题的研究。比如与M·戈德伯格合作提出色散关系，这是50年代研究强相互作用的重要尝试之一；1953年夏，他与好友F·洛还研究了后来称为重正化群的理论。这一工作已成为有关理论的标准文献。他们的工作经过进一步的发展，对70年代发展起来的量子色动力学等规范理论起着重要的作用。

 1956年，李政道和杨振宁关于弱作用宇称不守恒的提出，导致了粒子物理学家对弱作用本质的研究。盖尔曼与R·P·费曼于1958年发表了“费米相互作用理论”的论文。这一理论给出了弱作用的普适形式，该文还提出了弱作用由中间矢量玻色子传递的思想，为弱电统一理论的发展开辟了道路。

 三、八重法理论

 盖尔曼的另一杰出工作是八重法理论。到60年代初，人们已在实验中发现大量的强子，对这些粒子进行有秩序、有规律的描述是粒子物理学家所追求的目标之一。早在1949年，费米和杨振宁曾提出π介子是由核子-反核子组成的假说，认为核子是更基本的粒子，以解释其他一些粒子的组成。但该理论不能解释奇异粒子的组成。

 50年代末，盖尔曼开始试图对日益增多的强子进行分类。1960年12月的一次偶然的机会，他从本院的数学助理教授R·布洛克那里了解到了李群，并且马上意识到他所研究的八个生成元相应于SU（3）群。这使他很快提出了“八重法理论”。

 八重法理论正如元素周期表一样，将大量已知的粒子进行了有规则的划分，并且根据某一族八重态中尚且空余的位置来预言新的粒子的存在及其性质。为了使人们发现这些粒子，盖尔曼曾建议建造较高能量的加速器。后来这些空余位置的新粒子逐渐被一个个发现，不仅有力支持了盖尔曼的八重法方案，而且显示了粒子物理理论预言的重要性。

 四、夸克模型

 1964年是盖尔曼在粒子物理学中的地位愈加突出的一年。这一年，W-粒子的发现证实了八重法的理论预言；也是在这一年，盖尔曼进一步提出了夸克模型，由此开辟了人们对物质结构认识的新篇章。1961年，当盖尔曼提出他的八重法理论时，他并不满足，原因是这个理论不能回答大多数物理学家所关心的问题：难道所有的强子均是基本的吗？

 1963年早期，他来到麻省理工学院讲学。在准备他的报告时，他试图寻找最小的基本强子以填充基础表示。他发现，如果坚持整数电荷的观念，那么最小的一组粒子应为4个。他讨论了各种四个基本粒子的方案，但均不能令人满意。1963年3月，他到哥伦比亚大学访问。在午餐期问，他同哥伦比亚大学的R·塞伯等人讨论了有关八重法理论。进而塞伯问盖尔曼为什么没有考虑最重要的基础表示3？这激发盖尔曼再次思考夸克的思想。盖尔曼当时向塞伯解释了没有考虑3的原因是它需要分数电荷 2/3和 -1/3。之后，盖尔曼意识到，分数电荷是可能存在的。他由此提出了夸克模型，并于1964年2月在欧洲《物理快报》上发表了关于夸克模型的论文“重子和介子的一个简略模型”。

 该文虽然只有两页长和很少的公式，但却是现代物理学的一个重要里程碑。它非常简洁地阐述了夸克模型。盖尔曼在文中开头写道：“如果我们假设破缺的八重法理论能正确描述重子和介子的强作用，那么我们试图寻找这种情况的基本解释。”他进而指出，“如果我们允许电荷为非整数值，那么可以构造一个简单而优美的方案”。他指出SU（3）基本表示的三重态应为三种夸克：上夸克u（up）、下夸克d（down）和奇异夸克s（strange），且电荷分别为2/3，-1/3，-1/3。并指出，重子由三个夸克组成，介子由一个夸克和一个反夸克组成。“夸克”一词，盖尔曼取自J·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克”。

 对夸克模型，人们最初的反映是冷淡的。当盖尔曼在电话中告诉在大洋彼岸的欧洲核子研究中心工作的V·韦斯柯夫关于他的夸克模型时，这位老师的回答是，“这是跨越大西洋的电话，是花费钱财的，我们不要讨论这种无聊的事情”。部分物理学家甚至到70年代初仍对夸克的存在表示怀疑，原因是自夸克模型提出后，物理学家一直没有发现自由夸克的存在。直到70年代，随着高能物理实验的进行，特别是J/ψ 粒子的发现（1974年）以及弱电统一规范理论的成功，才使人们确信了夸克的存在。现今人们已确信夸克和轻子层次是目前人们达到的一个基本物质结构层次，这无疑显示了盖尔曼夸克模型的重要地位。

 盖尔曼做出的杰出的科学成就，使他成为一名当之无愧的粒子物理学的权威人物。有人甚至认为他是爱因斯坦的继承人之一。他在粒子物理学中的重要地位，从下面一件事可以看出。1966年在伯克利召开的国际高能物理会议上，会议组织者准备请几位专家分别作各个方面的进展报告。当对请谁来作报告而产生争议时，有人提出了一个令人鼓舞的建议：让盖尔曼一个人将所有的事全包下来。由于盖尔曼在这一领域的几乎所有方面都做过工作，在90分钟的讲演中，他权威地对整个领域作了评述。（本文参考了新浪科技等网页上的相关文章，特此致谢！）