透过粒子物理，看中国物理学家如何探索强子结构

基本粒子理论研究座谈会（摄于20世纪70年代）

1966 年北京暑期物理讨论会开幕式

“20世纪见证了物理学无与伦比的进步。如果说，前半叶由相对论和量子力学所主导，那么毋庸置疑，后半叶的明星就是粒子物理学。”科普图书《神奇的粒子世界》中，这样描述粒子物理的地位。

7月6日，在“2021量子科技系列报告”第二讲上，中国科学院自然科学史研究所副研究员刘金岩作《探索物质微观结构——层子模型构建历史》的主题报告。她基于中、日、俄及英文档案等史料，以20世纪50-60年代粒子物理的国际和国内发展为背景，介绍中国物理学家在上个世纪60年代中期探索强子结构，提出层子模型的过程以及层子模型的主要研究成果、后续发展、国际评价及影响。

粒子物理的诞生：“脱胎”于核物理

继电子、中子和质子等粒子发现后，物理学家又提出中微子和Pi介子假说。这一时期他们通常借助宇宙线或者低能加速器开展实验。1932年，物理学家利用宇宙线发现第一个反粒子。1939年，物理学家在伯克利建造了60英尺高回旋加速器。

另一方面，由于物理学家在第二次世界大战中研制原子弹和雷达发挥的重要作用，使得他们在战争结束重返科学研究中获得充裕经费。

自20世纪50年代起，欧美各国纷纷兴建高能加速器，包括直线加速器和回旋加速器。其中比较有代表性的是50年代初开工建造的欧洲核子中心，这个加速器目前的能量已经达到14个TeV，是世界上能量最高的加速器。

在物理界，一般获取粒子的方法是通过加速器，让粒子以极高的能量相互碰撞，从而将粒子“打碎”，直到在我们现有的条件下不能再“碎”了，那就是目前我们已知的最小粒子。

“我们知道的上帝粒子就是在欧洲核子中心的大型强子对撞机上发现的。这些加速器的建造打开了人工制造新粒子大门。”刘金岩坦言，到了20世纪60年代，随着实验上发现一系列新粒子，物理学家对于这些新粒子很棘手，粒子物理当时处于一个“进退两难”的处境。

刘金岩称，随着新粒子的大量发现，粒子物理学家迫切需要对上百种粒子进行分类，找出它们之间内在联系及其根源，提出新的概念和理论模型。比较著名的是坂田昌一在1955年提出的坂田模型，他认为物质的基本组元是质子、中子和Λ粒子。此后提出的“八重法”方案可以有效对基本粒子分类，此外还有1964年由盖尔曼和兹威格分别独立提出的夸克模型或艾斯模型，认为基本粒子由携带分数电荷的夸克或艾斯构成。不过，当时的实验物理学家和理论物理学家都不欢迎夸克这一概念。

粒子物理在中国：唯物辩证法下的层子模型构建

物理学在中国的发展得益于一批留学欧美物理学家归国后的推动。20世纪20年代出国留学学物理的代表人物有吴有训、叶企孙、严济慈、周培源和王守竞。他们分别在X射线散射、普朗克常数测定、光谱学、相对论、量子力学和热力学统计等物理学各分支有所建树。刘金岩特别提到，这些人致力于推动现代物理学在中国的发展，在中央大学、清华大学、北京大学，北平研究院等大学和研究机构设置现代物理学课程并培养人才。中国粒子物理学理论研究起步较晚，主要依靠20世纪30—40年代留学欧洲或美国的张宗燧、马仕俊、彭桓武、胡宁和朱洪元回国后的推动。

1956年，我国制定“十二年科学技术发展规划”，其中原子核与基本粒子物理学研究是物理学科重点发展的方向之一。同时，“自然科学中若干重要的基本理论问题”被列入规划中的第56项问题。1957年，李政道和杨振宁获得诺奖，激励一批年轻人选择粒子物理专业。此外，参与苏联联合原子核研究所的工作也为新中国培养了一批粒子物理人才。

1963年，毛泽东格外关注刊登在《自然辩证法研究通讯》杂志上一篇由俄文转译的坂田昌一文章。这篇文章的题目为《基本粒子的新概念》。毛泽东多次称赞坂田在科学研究中注意辩证唯物主义，且其坚持的物质无限可分思想与坂田在科学研究中坚持的原则产生共鸣。“坂田昌一的基本粒子可分观点引起毛泽东的注意，这与他希望中国尽快研制原子弹以及关心物理学中的哲学问题有关。还与当时正在中国进行的有关‘一分为二’和‘合二为一’的大讨论有关。”刘金岩介绍说。

这件事也影响了中国粒子物理学家的研究方向。此外，1966年即将在北京召开暑期物理讨论会，中国物理学家要为这次会议做学术准备。他们充分利用这些机会，来自中国科学院原子能研究所、中国科学院数学研究所、北京大学和中国科学技术大学的科研人员组成了大的研究组，后来这一研究组被称为“北京基本粒子组”。事实上，这些机构的科研人员在20世纪50年代初、60年代末就保持了良好的交流合作机制。

自1965年9月起，北京基本粒子组经过几个月的工作，提出强子的结构模型。层子模型是强子结构研究的一个重要开拓。刘金岩解释称，“层子的命名是在1966年北京暑期物理讨论会召开前，由原子能所的冼鼎昌向时任原子能所所长的钱三强建议的，这也符合毛泽东的物质无限可分思想，即基本粒子有结构，由层子组成，层子又是由更深一层的层子构成。”

中国物理学家提出层子模型顺应了粒子物理学的发展趋势，尽管未取得预期的国际影响，但为中国粒子物理后来在理论和实验上取得的重要成果奠定了人才基础。

（注：对层子模型具体物理内容感兴趣的读者可参见：Jinyan Liu. Chinese Annals of History of Science and Technology，Volume 2， Issue 1:85-122〔2018〕）