基本粒子发现之旅

这本小册子是杨振宁先生根据其于1959年在普林斯顿大学所作的系列讲座的讲稿修改而成的，也是他在1957年获得诺贝尔物理学奖后不久面向公众的一部科普作品。

全书围绕构成自然世界的基本粒子究竟是什么、以及它们之间如何相互作用的核心问题展开。它按照历史发展的顺序，讲述了从19世纪末到20世纪前半叶，物理学家们在探索物质微观结构过程中的一系列重大发现，涵盖了从 J. J. Thompson 发现电子、Ernest Rutherford 的原子核模型，到由他和李政道在宇称不守恒问题上作出的重要发现。

拿大家熟悉的例子来讲，Thompson 发现原子中含有电子这种更小的亚原子组成部分后，提出的关于原子结构的初代模型——带负电的电子镶嵌在均匀分布的正电荷物质背景之中。这个如今被写进中学物理教科书的模型，不管是叫梅子布丁模型，还是葡萄干蛋糕模型，一定程度上都是被当作反面案例来调侃的，特别是教学中后面介绍到 Rutherford 提出的新模型，Thompson 的在原子模型方面所作的工作仿佛要被钉上历史的耻辱柱。

然而事实上，Thompson 在考虑不同数量的电子在原子中的分布时，做了很多很有技术挑战的计算。一定数量的电子在均匀球形分布的正电荷中要达到平衡状态，它们的分布是怎样的？它们在平衡位置附近震荡又会以怎样的频率释放辐射？基于断定电子振荡频率就是在原子光谱中观测到的频率，Thompson 得出了关于原子半径约为 \(10^{-10} \text{ m}\) 的非常准确的结果。

另一方面，Rutherford 得出经典原子结构模型的著名的 \(\alpha\) 粒子散射实验也并不是教科书中那么简单。\(\alpha\) 粒子的大角度偏转可能是在穿过多层原子过程中许多小角度偏转的累加效应，为了确认实际观测到的大角度偏转事件不是统计巧合，Rutherford 作了细致的分析，其中包括推导了现在理论物理教科书中随处可见的 Rutherford 散射公式，微分散射截面与散射角度存在 \(\sin^4 \frac{\theta}{2}\) 的反比关系的经典结论，也是非常重要而且漂亮的理论工作。基于严谨的实验数据分析，Rutherford 才推断出原子的正电荷只能集中在一个直径小于 \(10^{-14} \text{ m}\) 的区域中，最终给出我们现在所熟知的原子绝大部分质量集中于原子核的图像。

进入1930年前后，随着粒子加速器和探测器技术的发展，雨后春笋般不断冒出新发现，直到1960年前后这本小书出版时，彼时的物理学家们，手里拿着的是一份冗长的清单：从质子-电子-光子，到中子、中微子接踵而至，紧接着是 \(\pi\) 介子、K 介子以及众多奇异粒子的发现，直至扩充到 30 余种重子与介子的粒子动物园。物理学家们要解决的巨大疑问自然是：这些纷繁复杂的“基本粒子”，其背后的秩序究竟是什么？既然门捷列夫能从混乱的化学元素中抽取出周期律，并借此预言未知元素，那么面对这张混乱的粒子清单，是否也存在着一个尚未被发现的基本粒子的周期表？

杨振宁以亲历者的视角，为读者梳理了一条清晰的脉络，勾勒出这张名单的膨胀轨迹。这种记录在今天的我们看来或许有点原始，但恰是这种质朴的充实过程，展现了夸克模型尚未诞生、标准模型还在孕育的前夜，物理学家们对自然的复杂表象之下必有简洁的数学对称性抱有坚定的信念。无论是按对称性分类（如同位旋），还是试图用群论去包装这些粒子，一座尚未看见的大厦的地基就此逐渐打下。尽管彼时的他们还不知道，这个基本粒子的周期表需要再往下挖一层挖到夸克（quarks）。但这种试图从混乱中建立秩序的思维方式，至今仍是理论物理最核心的驱动力。

值得注意的是，这座后来建成的大厦的核心框架——规范场理论（Yang-Mills gauge theory）——也是杨振宁极其重要的工作。物理学家们根据 Yang-Mills 规范场论建立起来的电弱统一理论、量子色动力学，以及解决规范理论中的粒子质量起源问题的 Higgs Mechanism，这些粒子物理标准模型的重大突破都发生在这本科普集出版之后。但这本书的价值也正在于此，它像一份珍贵的历史快照，我们有机会追随大师的视线，来到标准模型诞生的前夜，去一窥那个时代的一众杰出的粒子物理学家的探索历程。

这本小册子中也可以读到不少杨振宁对物理学发展本身的精彩评论，摘录如下。

在谈论20世纪早期的量子革命时，杨振宁感叹到：

在1913年前后，物理学家付出了巨大的努力，来求得对量子概念更为全面的了解，并且将原子的化学性质和量子结构联系起来。对于我们这些在事情已经弄清楚，量子力学已经最终建立后才受教育的人来讲，在量子力学问世之前的那些微妙的问题和大胆探索的精神，以及既充满希望又深陷绝望的情况，看来几乎像是奇迹一样。我们只能惊讶地揣想，当时的物理学家必须依靠这明显不能自相一致的推理来得到正确的结论，那是怎样的一种状态。

Carl David Anderson 和 Seth Neddermeyer 于1935年前后在宇宙射线中发现了 \(\mu\) 子（muon）的研究工作时，当时的物理学家们并不清楚这个新粒子究竟是个什么东西，甚至一度误以为它是理论物理学家汤川秀树提出的传递核力的介子，根本没有料想到它是一个除了质量之外从各方面都和电子高度相似的第二代轻子。就此，杨振宁写道：

安德森和内德梅耶正在大规模的研究宇宙线中带电粒子穿透物质的能力。由于需要很长的一段时间才能够收集到足够的实验资料，因此进行这种研究工作是极其困难的。不仅如此，进行这种实验也是困难的，因为在宇宙线中所观察到的现象，对物理学家来讲是全新的——探索现象的正确方向和基础还没有很好地建立起来。当新奇和意外的事件发生时——它们也确曾发生过——我们不清楚它们所牵涉的究竟是新的粒子和/或者新的原理，还是旧的粒子和旧的原理在一个新的研究领域中所表现出来的新的、令人惊奇的行为。

在谈论加速器的发展时，当时处于“盛宴”快速上升时期的杨振宁就有如下的评论：

（加速器和探测器）向庞大的体积发展的这种必然趋势是不幸的，因为它阻碍了自由的和个人的创造，并使研究工作变得不够亲切、不够生动和不易于掌握，但是它必须作为生活中的现实来加以接受。

不得不感叹杨振宁先生这样的顶级人类的科学品味，一种在复杂现象中辨别何为本质、何为表象的内在方向感。正是这种品味，让他能够在粒子物理的混沌中，不仅整理过去，更指向未来。