基本粒子探索中的科學美學問題淺析*

韓 鋒

(濟寧學院 物理與信息工程系，山東 曲阜 273155)

基本粒子探索中的科學美學問題淺析*

韓 鋒

(濟寧學院 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探索中的科學美學特性.結果表明:科學美學原則及其研究方法對基本粒子的提出、研究及其相關理論的完善均起到積極的推動作用.

基本粒子;科學美學;大統(tǒng)一理論

基本粒子物理學建立至今，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科之一.基本粒子物理學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).這除了實驗設備、實驗技術日趨改善之外，還與美學思想的指導分不開.第二條是提出各種理論模型，對基本粒子的結構進行猜測，這更與科學美學密切相關.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，顯然受到科學美學傳統(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.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)，美國物理學家蓋爾曼和以色列物理學家尼門于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系.實驗結果證明，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，得益于藝術作品《芬尼斯的徹夜祭》，提出了夸克模型.從運動學的角度來看，夸克模型具有較大的科學美學價值，符合簡單性的美學原則.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成所有已知的重子.夸克的藝術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)正好與夸克的藝術喻意相吻合.物理學家們認為，這一語言上的突破，就像是量子物理學上的突破一樣重要.夸克取名意料不到的成功，充分顯示了藝術語言滲入科學研究的重要性，并且為物理學家乃至全體自然科學家開辟了一條科學研究的新路，鼓勵他們發(fā)揮豐富的想象力，從語言藝術中吸取養(yǎng)分，充分利用藝術隱喻的巧妙性和美感，對物質(zhì)世界進行思考.

蓋爾曼認為，可以由三種夸克復合成各種粒子.這三種夸克分別稱為上向、下向和側向夸克.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)的科學美學研究，導致了應用數(shù)學中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，預言重子存在十重態(tài)，并且準確地估計了當時尚未發(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)量與預計的數(shù)值相當.重子十重態(tài)存在的預言，與畢達哥拉斯認為“十”是最完美的數(shù)具有某種相應性.基本粒子十重態(tài)的圖示，恰好與畢達哥拉斯當年的三角形數(shù)相吻合.科學理論的美學原則，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，可是它們只能結成一對“夫妻”，還剩一個獨身，這從結構上來說是不美的.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.

從動力學的角度來看，物理學家也按照美的規(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、結構函數(shù)模型、部分子模型、強子結構的袋模型等.如強子結構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.物理學家認為，夸克在動力學的情況下，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)定的結構，因而也是最常見的狀態(tài).強子結構的袋模型并不能十分滿意地解釋夸克幽禁問題，因為我們對強子結構的理解還十分膚淺，所以到目前為止，還沒有一個強子結構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)一性歷來是科學美學最高的審美理想.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致了粒子的產(chǎn)生、湮滅和相互轉換，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，從科學美學的角度來說具有以下美學特征:

強相互作用:結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，在基本粒子領域里引力作用常可忽略，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，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，這就引起物理學家想把這四種力統(tǒng)一起來的美學遐想.從目前的美學水平來看，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.物理學家，特別是理論物理學家，從科學美學的原理出發(fā)，總是希望把大量彼此分離的現(xiàn)象歸結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上的輝煌成就，而且標志著科學美學上的巨大成功.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)最終的美學理想，當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，那將是科學美學史上一件劃時代的大事.

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

［2］程民治.海森堡的科學美學思想［J］.安徽師范大學學報，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:商務印書館，2008.

［4］殷鵬程.基本粒子探索［M］.上海:上海科學技術出版社，1978.

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