朱洪元與粒子物理 *

丁兆君，李守忱

（中國科學技術大學 科學史與科技考古系，安徽 合肥 230026）

1 出身于工程世家

1917年2月，朱洪元生于江蘇宜興一個工程師之家。他的父母都畢業于德國漢諾威大學，并獲授特許工程師學位。父親朱重光專長于水利航運，母親王祖蘊專長于建筑。在20世紀早期，像王祖蘊這樣能在學業和事業中都有所成就的女性可謂鳳毛麟角。朱洪元的外祖父在家中興學，王祖蘊常常在窗外聽課，由此接受了啟蒙教育。后來她進入學堂，由于成績優異，一直都免交學費。中學畢業后，王祖蘊只身前往新加坡教書，任南洋女子中學校長，然后又攢錢去德國留學，于1928年回國，成為中國第一位歸國的女工程師。至今，在中國科學院黃莊小區朱洪元的故居中，還掛著他的母親王祖蘊留學德國時的建筑制圖作品。在朱洪元剛滿月的時候，王祖蘊便把他寄養在外婆家，然后自己輾轉于新加坡、德國，且教且學。朱洪元4歲時入和橋鎮養初小學讀書，10歲時入彭城中學，11歲時轉到東吳大學附屬中學讀書。

16歲那年，朱洪元考入上海同濟大學德文補習班，次年入同濟工學院機械工程系。抗日戰爭爆發時，他想棄學從軍，抗擊日寇，后在母親的苦苦勸求下，才打消了這個念頭，堅持把大學讀完。母親頑強、堅毅的性格，刻苦、認真的精神，深深地影響著朱洪元。讀大學時，朱洪元是工學院著名的高才生，頭腦靈活，成績突出。大學畢業后，朱洪元懷著為抗戰出力的愿望，曾到重慶一家兵工廠工作，后又輾轉到昆明機械廠工作。其間，他因患肺結核而回到學校，半工作半休養。［1］后來在學生們的申請下，他教授大學二年級的流體力學課程。據同濟大學的1944屆畢業生、著名核物理學家吳式樞院士回憶，聽朱洪元的課，“很受啟發，感到茅塞頓開”［2］310-311。

1944年，朱洪元以第一名的成績考取英國文化協會的機械工程留英資助生。這對于當時以德文作為第一外語的他，實非易事。1945年，朱洪元踏上了赴英留學之路。

2 同步輻射研究的先驅

到了英國，朱洪元進入曼徹斯特大學學習機械（圖1）。可是過了一段時間之后，他覺得機械并非自己真正的興趣所在，于是他便轉到了物理系，師從1948年諾貝爾物理學獎獲得者、物理系主任布萊克特（P.M.S.Blackett）。曼徹斯特大學物理系具有輝煌的歷史，盧瑟福就是在這里完成了劃時代的α粒子散射實驗，并提出了原子核式結構模型。布萊克特曾作為弟子，在盧瑟福的指導下做過出色的研究。朱洪元轉到布萊克特門下幾個月之后，就開始在《自然》雜志上發表理論物理的研究論文，［3］可見其“轉型”之快。

圖1 1947年曼徹斯特大學物理系師生合影，前排為J.G.Wilson（左三）、G.Rochester（左四）、J.Braddick（左五）、J.Nuttall（左六）、P.Blackett(左 七）、L.Rosenfeld（左 八）、D.Broadbent（右一），二排右三為朱洪元

布萊克特曾設想過，宇宙線中的高能電子在進入地球大氣層之前，因地磁場的影響放出輻射，而在經過大氣層后可能會在地球表面產生一個特大范圍的光電簇射。他把這個問題交給朱洪元去研究。經過周密的考慮與精心的推演，朱洪元最終得到了這種輻射（即如今所謂的“同步輻射”）的能譜、角分布、強度、波長及極化的表達式。［4］結果表明，由于輻射只集中在一個沿電子速度方向很小的角度范圍內，其實不會產生大范圍的光電簇射，這與其導師布萊克特原先設想的結果大相徑庭。為慎重起見，布萊克特讓朱洪元把文章送交給當時客居英國的印度著名物理學家巴巴（H.Bhabha）審閱，巴巴亦提出了質疑。于是，朱洪元進行了認真的復核驗算后復信巴巴（圖2），解釋其計算中的一步積分如何導致其結果與經驗相左，從而消除了巴巴的疑慮。［5］在布萊克特的推薦下，朱洪元的論文《快速荷電粒子在磁場中所放出的輻射》于1948年2月在《英國皇家學會會刊》上發表。

圖2 朱洪元致巴巴信

在朱洪元的論文被《英國皇家學會會刊》接受一個月之后，美國通用電器公司用電子同步加速器發現了同步輻射現象。1949年3月，美國物理學家施溫格（J.Schwinger）在《物理評論》上發表了題為《論加速電子的經典輻射》一文，正是在研究加速器中的電子輻射性質的基礎上得到了同步輻射的結論。施溫格與朱洪元的工作結果相同，都是關于同步輻射應用的奠基性文章。不同的只是他們的研究對象，一個針對的是加速器產生的粒子，另一個針對的是宇宙線粒子。蘇聯的伊萬年柯（D.Ivanenko）和索柯洛夫（A.A.sokolov）也在1948年3月發表文章，公布了其類似的工作。多年以來，人們總是把同步輻射與施溫格、伊萬年柯等聯系起來，卻忽略了朱洪元的奠基性工作，這顯然是不公平的。1988年5月，北京召開同步輻射應用的國際會議，領導建成中國第一個同步輻射實驗室（BSRF），并任該實驗室第一任主任的冼鼎昌向大家展示了朱洪元那篇40年前發表的關于同步輻射的文章。在場的美國斯坦福同步輻射實驗室教授、同步輻射應用權威溫尼克（H.Winick）在閱讀完這篇文章之后，走到朱洪元的面前，緊緊地握住他的手說：“您在同步輻射發展初期，就進行了如此重要的工作，能夠認識您，我感到很榮幸！”［5］13-14頓時，整個會場爆發出熱烈的掌聲。很快，朱洪元那篇同步輻射應用的奠基性文獻，在與會代表中傳閱開來。

1947年，由布萊克特領導的宇宙線研究組成員羅徹斯特（G.D.Rochester）和巴特勒（C.C.Buttler）在曼徹斯特大學物理系地下室的云霧室中，拍攝到了大量宇宙線簇射粒子的照片，并從中發現有兩個呈V字形的徑跡，這是粒子衰變形成的。對此，朱洪元最早作了估算，并指出衰變前粒子質量的下限為電子質量的900倍。這正是后來所謂的“奇異粒子”。筆者在朱洪元先生的家中親見了當初由羅徹斯特和巴特勒所發表、如今業已發黃的論文中提到了他的工作。

1948年，朱洪元獲得博士學位后留校任物理系帝國化學工業科學基金會研究員，為期3年。1950年，朝鮮戰爭爆發，得悉美軍在仁川登陸后，朱洪元于10月離英回國。

3 “層子模型”放異彩

自1950年回國至1957年，朱洪元一直任中國科學院近代物理研究所（1953年更名為物理研究所）研究員。該所后經擴建，于1958年改稱原子能研究所，朱洪元任理論研究室主任。

20世紀50年代，國際上粒子物理實驗突飛猛進，與之相應的各種理論應運而生，包括弱相互作用中的宇稱不守恒理論、V-A理論、零質量中微子理論、中間玻色子理論等。而國內學術界卻幾乎處于與世隔絕的狀態，粒子物理理論研究基本上處于空白狀態。

1958年，蘇聯物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者塔姆（I.Y.Tamm）來訪中國。朱洪元從他那兒得知了由費曼（R.P.Feynman）、蓋爾曼（M.Gell-mann）與馬沙克（Robert Marshak）、蘇達山（E.C.George Sudashan）等人剛提出的普適弱相互作用的V-A理論。于是，他立即領導一個小組進行研究，討論了K＋介子衰變的分支比，并探討了μ－子在質子上的輻射俘獲過程，發現一個選擇定則，并在后來進一步闡明了原因。

1959-1961年，朱洪元被派往蘇聯參加杜布納聯合核子研究所工作。在此期間，他利用色散關系對π介子之間及π介子與核子之間的低能強相互作用進行了深入的研究，并與其合作者發現當時流行的角動量分波展開存在很大的誤差，指出由此方法導出的方程含有不應有的奇異性質，從而否定了這個在1959年國際高能物理會議上由著名物理學家丘（Geof?frey F. Chew）和曼德斯塔姆（Mandelstam）提出的流行一時的方案，并推導出不含發散積分的π-π及π-N低能散射方程。

1961年，朱洪元自蘇聯回國以后，主要從事包括光子、電子、中子和原子核在內的高溫、高密度系統的輸運過程、反應過程和流體力學過程方面的研究，取得多項重要成果。

從20世紀60年代起，國際粒子物理學界進入研究強相互作用粒子內部結構的新階段。早在1949年，費米（E.Fermi）和楊振寧就提出了π介子是由核子與反核子組成的假說。1955年，坂田昌一（S. Sakata）又提出了包括奇異粒子在內的強子結構的復合模型。1964年，蓋爾曼和茲維格（G.Zweig）又改造坂田模型，提出夸克模型。這是一種由對稱性分析得出的唯象理論，連蓋爾曼本人都覺得夸克只是一種數學上的實體。

1965年，以朱洪元、胡寧為首，由中國科學院原子能所、數學所和北京大學、中國科學技術大學4個單位的39位粒子物理學工作者組成的北京基本粒子理論組（圖3）分析了當時已累積的實驗和理論資料，認識到“基本粒子”并不基本，而有其內部結構。朱洪元考慮到在當時已知的最高能量下，在強子內部的微小尺度范圍中，用量子力學的波函數描述狀態、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效，提出引入強子結構波函數來描述強子的狀態，而強子的組成及其所遵從的對稱性是否符合夸克模型或坂田模型的其他變種，則有待實驗檢驗。他引入始態和終態強子結構波函數的重疊積分概念和具有特定對稱性的強子構成組分之間的相互作用來計算躍遷矩陣元，用以統一地描述一系列強子的轉化過程。在這些研究基礎上，北京基本粒子理論組在1965-1966年的9個月里發表了40多篇論文，得到了一系列理論結果。根據錢三強的建議，基本粒子理論組把強子的組分粒子稱為“層子”，意謂強子的結構具有層次性，每個物質基元只是其中的一個層次。基于“層子”概念，學術界把北京基本粒子理論組提出的這一套理論稱為層子模型理論。

圖3 北京基本粒子理論組討論（左茶幾后，左起為戴元本、朱洪元、胡寧）

1966年7月，亞太科學討論會在北京召開，北京基本粒子理論組在會上公布了層子模型的主要結果。在會后的招待宴會上，巴基斯坦物理學家、1979年諾貝爾獎獲得者薩拉姆（A.Salam）當著周恩來總理的面稱贊層子模型“是第一流的科學工作”［6］148。

“層子模型”是強子結構研究的一個重要開拓，它是在強子構成組分之間的動力學理論提出之前的一項重要探索性工作。層子模型理論提出的強子內部結構波函數和波函數的重疊積分的概念沿用至今，并隨著強相互作用的動力學理論的建立而逐漸得以確定。可惜的是，“文革”期間，朱洪元等人的這一研究工作被打斷。“文革”期間，國際上的粒子物理學科在飛速發展，強子結構沿著夸克模型的思路取得了重大進展，而層子模型的理論則被拋到了時代的后面。［7］

1980年1月，在廣州市郊從化縣，由李政道與楊振寧發起，經國務院批準，中國科學院和教育部舉辦的國際華人粒子物理理論研討會盛況空前。在此國際會議上，朱洪元以《層子模型的回顧》為題作大會報告，全面介紹了層子模型理論，得到學者們的充分肯定。［8］1982年，朱洪元等因層子模型理論獲得國家自然科學獎二等獎。

4 從理論拓荒到執鞭科大

20世紀50年代初，中國研究粒子物理學的科學家屈指可數，僅有朱洪元、胡寧、彭桓武、張宗燧等人。當時國內可資參考的有關基本粒子理論方面的書籍也少得可憐，而且內容陳舊，理論粒子物理的研究幾乎是一片荒原。為了使有志進入粒子物理研究領域的年輕人盡快掌握一些基礎理論知識，1957年，朱洪元在北京大學開設了“量子場論”課，比較系統地講授了這門前沿理論課程。1958年，在青島舉辦了“量子場論”講習班，朱洪元又為來自全國各高等院校和研究所的60多名學員講授了“量子場論”課，把聽眾從最基礎的出發點引領到當時量子場論發展的最前沿。北京大學的授課和青島的暑期講習班，是粒子理論在全國范圍內的第一次普及，造就了一代粒子物理學家，影響極其深遠。［9］朱洪元的授課講義后來整理成《量子場論》一書出版，成為中國幾代粒子物理工作者的主要教科書和研究工作參考書。

中國科學技術大學（以下簡稱科大）成立不久，朱洪元便在原子核物理和原子核工程系（后更名為近代物理系）擔任兼職教授，并兼任系副主任，不辭辛勞地奔波于原子能所與科大之間。他認為，研究所里的研究人員到科大教學對其科學研究是有幫助的。聽一門課與授一門課大不相同，研究人員從事了一定時間的研究工作后，到學校教學，不僅支援了學校的師資，而且可以充實自己的知識，加強基礎。“要拿出一碗水，就得有一桶水”，這當然要多費心力，雖然苦些，但很值得。同樣，學校的教員經過一段時間的教學之后，也可以到研究所里參加一些研究工作。這樣不僅對提高教學質量有好處，而且對科學研究也有好處。朱洪元的這些觀點非常符合科大“所系結合”的辦學方針。

朱洪元在科大所講授的課程除了有“量子力學”“量子場論”這樣的物理課程，還有“群論”這樣的數學課程。談到他授課之精彩，科大前幾屆畢業生一直贊不絕口。他所講授的幾門課程，艱深晦澀，要用到大量的數學知識，不容易學習也不好講授，很容易給人以枯燥無味之感。而朱洪元總是將其內含的物理意義闡述得很清楚。譬如他講到量子力學中用波函數描寫粒子時，做了非常淺顯的比喻：就像月亮，今天你看到它的這一面，認為是這樣的；過了一段時間，你又看到了它的另一面，又認為它是另外一個樣子，其實都是、又都不是。

朱洪元的治學嚴謹為粒子物理學界所公認，與此相應，他所授之課程亦正如他所著之書：結構嚴謹，邏輯嚴密，推導嚴格。被公認為朱洪元“四大弟子”（張肇西、黃濤、李炳安與杜東生）之一的科大近代物理系畢業生張肇西，當初就是被朱洪元的“群論”課的內容及其嚴謹的講授風格所吸引而報考了他的研究生。［10］而他的另一位弟子李炳安則是當初量子力學課的課代表，同樣是為其淵博的學識與精彩的授課內容所吸引。［11］

5 熱心于實驗的“物理界大人物”

1958-1973年，朱洪元一直任中國科學院原子能研究所理論研究室主任。他不僅在理論物理研究中是所內的“領頭羊”，而且也為中國建立高能物理實驗基地做出了重要的貢獻。1972年，朱洪元與張文裕、謝家麟等18名科學家致信周恩來總理，建議加強基礎研究，建造高能物理實驗基地。［12］這一建議得到了周總理的肯定和支持。次年，高能物理研究所成立，朱洪元先后任研究員、理論物理研究室主任、副所長、科學技術委員會主任等職。他還長期擔任《物理學報》副主編和《高能物理與核物理》《高能物理》主編，此外他還是《中國大百科全書·物理卷》的主編。

1973年，朱洪元與張文裕等率團考察美國各高能物理研究中心及西歐核子研究中心（圖4），其后逐漸形成了建造高能加速器的方案。但由于政治、經濟等原因，該方案未能付諸實踐。1981年，中國科學院派朱洪元、謝家麟會同當時在美訪問學者葉銘漢，在李政道的協調下，到芝加哥費米國家實驗室與中美高能物理聯合委員會的幾個成員實驗室的負責人進行非正式會晤，通報中國高能加速器調整方案，并聽取他們對此方案的建議。斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基（W.K.H.Panofsky）提出了建造2.2 GeV正負電子對撞機的建議。朱洪元、謝家麟對潘諾夫斯基的方案進行了非常詳細且審慎的研究。朱洪元考察了該對撞機物理窗口的意義和生命力，并聯系在美進行合作研究的中國高能物理訪問學者，廣泛征求他們的意見；謝家麟則考慮技術、經費與器材等問題。后來中國按照這個方案成功地建成了北京正負電子對撞機（圖5），進行了高能物理實驗和同步輻射應用的研究，并取得了令世界矚目的成績。這與朱洪元的嚴肅認真、一絲不茍的工作精神和大力推動是分不開的。

圖4 朱洪元率團赴國外考察高能物理實驗基地，右起為謝家麟、吳健雄、朱洪元

圖5 1984年，在北京正負電子對撞機開工典禮上合影，左起為方毅、李政道、周培源、宋健、朱洪元、謝家麟

1992年11月4日，朱洪元因病醫治無效，逝世于北京，中國物理學界的一顆明星就此隕落。半個月后，著名物理學家王淦昌在一封信中寫道：“中國物理界接連傷逝三大人物（錢三強、朱洪元、張文裕）！不勝悲傷！”［13］230這也道出了其他物理學界同仁乃至朱洪元所有同事、學生以及受過他影響的人們的心聲。