韓 鋒

(濟寧學(xué)院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155)

基本粒子探索中的科學(xué)美學(xué)問題淺析*

韓 鋒

(濟寧學(xué)院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155)

從和諧、對稱、簡單、統(tǒng)一四方面探討了基本粒子物理學(xué)探索中的科學(xué)美學(xué)特性.結(jié)果表明:科學(xué)美學(xué)原則及其研究方法對基本粒子的提出、研究及其相關(guān)理論的完善均起到積極的推動作用.

基本粒子;科學(xué)美學(xué);大統(tǒng)一理論

基本粒子物理學(xué)建立至今，雖然只有短短幾十年的歷史，但是發(fā)展卻十分迅速，已成為目前國際上最活躍的學(xué)科之一.基本粒子物理學(xué)的研究路線大致說來有三條:第一條是各種基本粒子的發(fā)現(xiàn).這除了實驗設(shè)備、實驗技術(shù)日趨改善之外，還與美學(xué)思想的指導(dǎo)分不開.第二條是提出各種理論模型，對基本粒子的結(jié)構(gòu)進行猜測，這更與科學(xué)美學(xué)密切相關(guān).第三條研究路線是基本粒子相互作用力的研究.四種相互作用力統(tǒng)一思想的提出，顯然受到科學(xué)美學(xué)傳統(tǒng)的影響.下面，我們就按照這三條研究路線來大致分析一下基本粒子探索中的美學(xué)問題.

1 基本粒子是遵循美的規(guī)律的

基本粒子可以按其自旋的不同分為兩大類.一類是自旋為1/2奇數(shù)倍的粒子，稱為費米子.它們滿足費米統(tǒng)計，即每一個粒子狀態(tài)最多只容納一個這樣的粒子.另一類是自旋為1/2偶數(shù)倍的粒子，稱為波色子.它們滿足波色統(tǒng)計，即每一個狀態(tài)可容納任意多個這樣的粒子.基本粒子的這種分類，就像是人類男女兩性的分類一樣.人類社會由于性別差異形成了一種特殊的互補對稱，這是人類社會美的基礎(chǔ).基本粒子世界由于費米子與波色子的差異，也形成了一種特殊的互補對稱性，構(gòu)成了基本粒子世界特有的美.

受門捷列夫元素周期表美的啟發(fā)，美國物理學(xué)家蓋爾曼和以色列物理學(xué)家尼門于1961年分別獨立提出了基本粒子的周期表.在表中，各組粒子根據(jù)它們不同的性質(zhì)，排成一種美觀的對稱形式.蓋爾曼稱之為“八重式”，就好像元素周期表中的八列元素一樣.在這張基本粒子周期表中，質(zhì)量相近、性質(zhì)相近，只是電荷量不同的粒子，可以看做是同一個基本粒子的不同電荷態(tài)，就像是元素周期表中同位素的概念一樣.它們有相同的總同位旋，只是具有不同的同位旋分量.如中子和質(zhì)子的質(zhì)量以及它們在原子核中的性質(zhì)都十分相近，可以把它們看作同一種基本粒子——核子的兩個不同的荷電狀態(tài)，它們以不同的同位旋量子數(shù)互相區(qū)別.同一種同位旋的多重態(tài)粒子(同位旋粒子)，可以形象地看成是同胞兄弟穿著不同的電磁服裝.在不同的總同位旋粒子中，我們也可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在一定的親緣關(guān)系.實驗結(jié)果證明，最輕的八個介子雖然質(zhì)量相差很大，總同位旋也不相同，但是它們的性質(zhì)卻很相近，如自旋都是零，宇稱都是負的.因此，可以把它們看成是屬于同一家族的.同樣，八個最輕的重子也可以看成是屬于同一家族的.如果我們把同位旋多重態(tài)看作是門捷列夫元素周期表中周期的話，那么上述不同總同位旋的八重態(tài)，就相對于門捷列夫周期表中的不同的族.當(dāng)然，基本粒子的研究還很不充分，但不遠的將來，基本粒子周期表一定可以和元素周期表相媲美.

2 基本粒子模型是按照美的規(guī)律提出的

蓋爾曼提出了八重態(tài)的基本粒子周期表以后，深深地感到周期表必須再有一個更為基本的粒子才能達到完善.這個粒子必須具有特定的質(zhì)量和一系列其他特性.蓋爾曼于1964年在分析實驗數(shù)據(jù)時，得益于藝術(shù)作品《芬尼斯的徹夜祭》，提出了夸克模型.從運動學(xué)的角度來看，夸克模型具有較大的科學(xué)美學(xué)價值，符合簡單性的美學(xué)原則.夸克的德文原意是社會底層人物吃的帶臭味的軟乳酪.蓋爾曼發(fā)現(xiàn)，他只需要三種不同的夸克子，就能利用這三種夸克子的不同組合來構(gòu)成所有已知的重子.夸克的藝術(shù)喻意是具有不同的顏色和味道，其實質(zhì)卻完全一樣.基本粒子物理學(xué)中的三種夸克，實際上也可以看作是同樣的粒子穿著不同的服裝.也就是說，由于各種不同的相互作用，才使夸克出現(xiàn)一些差異.如果我們把所有的相互作用都去掉，那么這三種夸克在實質(zhì)上是一樣的.夸克的這一物理性質(zhì)正好與夸克的藝術(shù)喻意相吻合.物理學(xué)家們認為，這一語言上的突破，就像是量子物理學(xué)上的突破一樣重要.夸克取名意料不到的成功，充分顯示了藝術(shù)語言滲入科學(xué)研究的重要性，并且為物理學(xué)家乃至全體自然科學(xué)家開辟了一條科學(xué)研究的新路，鼓勵他們發(fā)揮豐富的想象力，從語言藝術(shù)中吸取養(yǎng)分，充分利用藝術(shù)隱喻的巧妙性和美感，對物質(zhì)世界進行思考.

蓋爾曼認為，可以由三種夸克復(fù)合成各種粒子.這三種夸克分別稱為上向、下向和側(cè)向夸克.進一步的研究指出:這三種夸克存在著互換而不改變某些性質(zhì)的美學(xué)特性.或者說，存在著在這三種夸克互換的變換下保持不變的對稱性質(zhì).對于這種對稱性質(zhì)的科學(xué)美學(xué)研究，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)學(xué)中SU(3)群理論方法來研究基本粒子分類的問題.SU(3)群的運算是對三個完全等價的對稱粒子最自然的數(shù)學(xué)描述.值得指出的是，在基本粒子研究中，人們利用夸克互換變換下保持不變的對稱特性和SU(3)群的運算，預(yù)言重子存在十重態(tài)，并且準確地估計了當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的歐米茄反粒子的質(zhì)量.1964年巴拉斯在實驗中確定了歐米茄反粒子的存在，其質(zhì)量與預(yù)計的數(shù)值相當(dāng).重子十重態(tài)存在的預(yù)言，與畢達哥拉斯認為“十”是最完美的數(shù)具有某種相應(yīng)性.基本粒子十重態(tài)的圖示，恰好與畢達哥拉斯當(dāng)年的三角形數(shù)相吻合.科學(xué)理論的美學(xué)原則，在基本粒子理論模型的選擇中也起著重要的作用.如坂田模型，由于缺乏內(nèi)部統(tǒng)一的對稱性，其本身也不是最簡單的粒子，它還有更深的內(nèi)部層次，因此物理學(xué)家認為其審美價值比不上夸克模型，坂田模型很快就在基本粒子的研究領(lǐng)域中消失了.

諾貝爾獎金獲得者格拉肖，從審美的角度談到夸克模型今后的發(fā)展方向.它認為，三種夸克被認為是具有特殊變化的電荷，可是它們只能結(jié)成一對“夫妻”，還剩一個獨身，這從結(jié)構(gòu)上來說是不美的.因此他說:“如果還有第四種夸克味道來保證‘獨身’夸克能有配偶，那么配置就會更整齊些了.可以猜想出來，今后對這位獨身粒子的探索是需要完成美滿婚姻的想象物，有吸引力的夸克.”1974年在理論上引進了第四種夸克，正好與獨身的夸克配成一對.1984年實驗發(fā)現(xiàn)，還存在底夸克與頂夸克，它們也是頗為幸福的一對小夫妻.

從動力學(xué)的角度來看，物理學(xué)家也按照美的規(guī)律提出了各種基本粒子模型.其中比較著名的是形狀因子模型、結(jié)構(gòu)函數(shù)模型、部分子模型、強子結(jié)構(gòu)的袋模型等.如強子結(jié)構(gòu)的袋模型是從夸克模型的顏色與味道的對稱性美中引申而來的.物理學(xué)家認為，夸克在動力學(xué)的情況下，相互交換一種被稱為膠子的矢量介子，它對于夸克的顏色具有特殊的作用.由于膠子的作用，使得夸克間的超強相互作用對于顏色SU(3)群是完全對稱的.因此，這種相互作用顯得特別美.在夸克體系中，對稱性最高的顏色單態(tài)是無色態(tài)，這是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因而也是最常見的狀態(tài).強子結(jié)構(gòu)的袋模型并不能十分滿意地解釋夸克幽禁問題，因為我們對強子結(jié)構(gòu)的理解還十分膚淺，所以到目前為止，還沒有一個強子結(jié)構(gòu)模型可以稱得上是美的.

3 基本粒子的四種相互作用力的統(tǒng)一

統(tǒng)一性歷來是科學(xué)美學(xué)最高的審美理想.這種審美理想，在基本粒子相互作用力的研究中體現(xiàn)得尤其充分.基本粒子之間存在著四種相互作用，正是這些相互作用導(dǎo)致了粒子的產(chǎn)生、湮滅和相互轉(zhuǎn)換，形成了粒子運動豐富生動的圖像.基本粒子之間的相互作用，從科學(xué)美學(xué)的角度來說具有以下美學(xué)特征:

強相互作用:結(jié)合核子成為原子核的核力以及介子和重子相互作用時產(chǎn)生的粒子過程.在強相互作用過程中，所有的守恒定律都成立，對稱性最高，因而最美.

電磁相互作用:所有帶電粒子、光子之間的相互作用.從理論發(fā)展形式來說，電磁相互作用理論最完美，麥克斯韋方程組永遠是各種相互作用理論的典范.

弱相互作用:除光子以外，各種粒子在衰變過程中都具有弱相互作用.在弱相互作用中，更多守恒的美遭到破壞.如:同位旋守恒、奇異數(shù)守恒、宇稱守恒等.

引力相互作用:所有粒子都具有引力相互作用，在基本粒子領(lǐng)域里引力作用?？珊雎?，對于引力相互作用的美目前所知不多.

由此可知，基本粒子相互作用力越強，它所具有的守恒性的美也就越多，對稱性也愈高，所涉及的粒子卻愈少.相反，相互作用力愈弱，守恒性的美就愈少，對稱性也就愈低，所涉及的粒子卻愈多.值得注意的是，每一種相互作用力的大小常常與粒子所處的狀態(tài)有關(guān)，在極高能的條件下，弱相互作用力可以變得很強，而強相互作用力卻變得較弱.幾種相互作用力的強度大有一致的趨勢，這就引起物理學(xué)家想把這四種力統(tǒng)一起來的美學(xué)遐想.從目前的美學(xué)水平來看，已經(jīng)可以確認，所有的相互作用都具有相同的機制，它們都是由中間媒介粒子所引起的，只不過各種相互作用的媒介粒子并不相同，因此這四種相互作用，從更深的意義上理解可能存在著一定程度的統(tǒng)一性.物理學(xué)家，特別是理論物理學(xué)家，從科學(xué)美學(xué)的原理出發(fā)，總是希望把大量彼此分離的現(xiàn)象歸結(jié)為一個簡單而美妙的理論.這種統(tǒng)一性的工作不但標志著科學(xué)上的輝煌成就，而且標志著科學(xué)美學(xué)上的巨大成功.愛因斯坦在20世紀上半葉，花費了四十年時間，企圖把引力相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來.他的工作雖然沒有完成，但給后人指出了十分誘人的研究領(lǐng)域.

基本粒子四種作用力的統(tǒng)一，以電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一最有成效.1967年溫伯格和薩拉姆提出了弱電相互作用統(tǒng)一的規(guī)范理論，克服了重正化發(fā)散的困難，并預(yù)言了荷電的中間波色子和中性不荷電中間波色子的存在.中間波色子在1983年被發(fā)現(xiàn)，增加了弱相互作用和電磁相互作用之間相似的美學(xué)因素.弱相互作用的耦合常數(shù)和電磁相互作用的耦合常數(shù)也十分相像，具有普適的性質(zhì).這些都是溫薩理論美麗的地方.為此，他們獲得了1979年的諾貝爾物理獎.在弱電統(tǒng)一性取得初步成效的今天，人們已開始探索弱相互作用、電磁相互作用和強相互作用之間的統(tǒng)一.實現(xiàn)最終的美學(xué)理想，當(dāng)然還需要把引力作用也包括進來，一旦我們找到一種能夠統(tǒng)一描述各種相互作用的完整理論，那將是科學(xué)美學(xué)史上一件劃時代的大事.

［1］陰瑞華.物理科學(xué)美的特點及其方法論意義［J］.中國成人教育，2008，(5).

［2］程民治.海森堡的科學(xué)美學(xué)思想［J］.安徽師范大學(xué)學(xué)報，1998，(3).

［3］楊建鄴.光怪陸離的物質(zhì)世界——諾貝爾獎和基本粒子［M］.北京:商務(wù)印書館，2008.

［4］殷鵬程.基本粒子探索［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1978.

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