物理世界奇遇记-第23部分

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些新的粒子，而不在于努力把质子击碎成它的各个组成部分。问
题在于，所有这些新粒子全都是质子的堂兄弟。大家都知道，有
时可以通过研究一个人的家庭背景去认识他本人。这种做法也可
以用在这里，我们可以通过考察我们所熟悉的质子和中子的亲属，
去了解它们的结构。
“那么，我们发现了什么呢？正像大家所预料到的，新粒子
也带有一些普通的性质：质量、动量、能量、自旋角动量和电荷。
但是除此之外，它们还具有一些新的性质——质子和中子所不具
有的一些性质。这些性质被称为‘奇异数’和‘粲数’等等。顺
便说一下，大家千万别被这些古怪的名称所迷惑，每一种性质都
有严格的科学定义。”
听众中有人举起了手，“你说的是什么意思——‘新的性质’？
我们讨论的是哪种性质？你又是怎样认出它的呢？”
“问得好。”汉森博士中断了片刻，陷入了沉思。
“好吧，让我试一试用下面的方式来说明问题。我先从大家
熟悉的一种性质说起。请大家考察一下下面这个产生一个不带电
π介子（即π0）的反应：
p＋　＋　p＋　—→　p＋　＋　p＋　＋　π0（i）
右上角的符号表示粒子所带的电荷。　我们通常不会在p的右上角
写个＋号，因为人人都知道质子有一单位的正电荷。　但是，由于
某些以后大家就会看清楚的原因，我不想把它省略掉。这里还有
另外两个反应，一个产生负π介子，另一个产生不带电的π介子
p＋　＋　n0　—→　p＋　＋　p＋　＋　π…（ii）
π…　＋　p＋　—→　n0　　＋　π…（iii）
其中n0这个符号代表中子。以上三个反应全部可以实现。而下面
的反应却不可能发生：
p＋　＋　p＋　≠→　p＋　＋　p＋　＋　π…（iv）
好了，你们怎样看待这件事呢？为什么前三个反应都发生过，而
第四个反应却永远不会发生呢？”
“是不是同电荷的错误有关系呢？”有个年纪较轻的学生问
道，“在第四个反应式中，左边有两个正电荷，而右边却有两个
正电荷和一个负电荷，左右两边并不平衡呀。”
“正是这样。电荷是物质的一种性质，它是应该守恒的：反
应前的净电荷必须等于反应后的净电荷。而第四个反应式却不是
这样，这就是它不能发生的非常简单的原因。不过，现在再来看
看下面这个反应，它牵涉到两个新粒子——不带电的Λ粒子和带
正电的Ｋ介子：
π…　＋　n0　—→　Λ0　　＋　Ｋ＋（v）
这是一个已经观察到的反应。同它相反，下面的反应却永远不会
发生：
π＋　＋n0　≠→　Λ0　　＋　Ｋ＋　＋　n0（vi）
如果你想产生右边几个粒子的组合，那么，开始时左边的粒子必
须有所不同：
p＋　＋n0　—→　Λ0　　＋　Ｋ＋　＋　n0（vii）
但是，如果开始时左边用的是上面的初始组合，你就会发现，下
面这个反应是不会发生的：
p＋　＋n0　≠→　Λ0　　＋　Ｋ＋（viii）
而这是说不通的，因为事实上从能量的角度看，产生Λ0　　＋　Ｋ＋
要比产生Λ0　　＋　Ｋ＋　＋　n0更容易一些。这样，问题又来了：是什
么东西使得反应（vi）和（viii）不能发生呢？
她的眼睛在学生们的脸上扫视了一下，“这一次同电荷守恒
有什么关系吗？”
学生们都摇摇头。
“不是的，这不可能同电荷守恒发生关系。”她说，“现在
两边的电荷是平衡的。那么，大家有什么想法吗？”
听众全都有点发呆。
“好吧，正是由于这一点，我们才引入了粒子具有一种新性
质的想法。我们把这种性质称为重子数。这个名称出自希腊文中
表示‘沉重’的那个名词。我们把重子数记作Ｂ，并且规定各个
粒子具有如下的Ｂ值：
n0，p＋，Λ0　全都具有Ｂ＝＋１
π0，π＋，π…和Ｋ＋　全都具有Ｂ＝０
我们把前一组粒子称为‘重子’，把后一组粒子称为‘介子’——
出自希腊文中表示‘中介’的那个名词（我也许应该顺便提一下，
还有另外一些别的粒子，它们很轻，所以被称为‘轻子’，电子
就属于这一类）。
“现在，在规定了各个粒子的Ｂ值以后，我们还要假设Ｂ是
守恒的：碰撞前后重子数的总值必须相等。说到这里，我希望大
家记住这一点，再一次看看前面提到的那些反应，证明那些发生
过的反应是Ｂ守恒的反应，而那些不会发生的反应则是Ｂ不守恒
的。”
经过一两分钟聚精会神地进行加减，学生们开始一面点头，
一面小声他说他们同意汉森博士的说法。
“好的，正是由于Ｂ不守恒，那些反应才不能发生。而那些
反应不能发生，又告诉我们有一种新的性质Ｂ。不仅如此，我们
还了解到这种性质的某些表现：它在碰撞中必须守恒，就像电荷、
能量或动量等等那样。”
学生们显然对这个解释感到满意。汤普金斯先生却不是这样。
他交叉着双臂坐在那里，脸上露出怀疑的神色。这被汉森博士注
意到了。
“有什么不对头吗？”她问道，“你有问题？”
“与其说是问题，”他回答说，“倒不如说是评论。坦白说，
你的话不能叫我信服。事实上，如果你不介意我这样说的话，我
认为那完全是胡扯。”
“胡扯？”她有点慌张地问道，“我不……对不起，你刚才
说什么来的？”
“我说的是那些粒子的重子数的值。你是从哪里把它们弄来
的？我认为你选定那些值，只不过是想得到你希望得到的结果。
你给各种粒子安排了那些Ｂ值，当然就让那些合适的反应能够发
生，而另一些反应不能发生了。”
汤普金斯的学生朋友们惊讶地盯着他，他怎么敢这样说呢？
但是，这种紧张局面很快就消除了，汉森博士突然发出一阵笑声。
“好极了，”她说，“你绝对正确，这正是我们怎样找出应
该规定的重子数时的做法。我们正是仔细考察那些会发生的反应
和不会发生的反应，才作出适合于它们的重子数规定的。
“但是，这里还有比规定重子数更重要的事情。要不是这样，
那就是在浪费时间了。关键在于，既然我们利用少数反应找出应
该如何规定粒子的重子数的方案，我们以后就可以进一步作出预
测，知道其他反应能不能发生了——我们可以作出千千万万个这
样的预测。”
汤普金斯先生看起来仍然不太信服。
“让我这样来解释吧，”她补充说，“有一次，有个研究小
组宣布他们有个重大的发现。他们发现了一种带负电的新粒子，
并且把它叫做Ｘ－粒子。这种粒子是在下面的反应中发现的：
p＋　＋n0　—→　p＋　　＋　p＋　＋　n0＋　　X…（ix）
那么，它的Ｂ值有多大呢？”
经过一番匆促的数学运算，学生们开始小声他说：“等于－１。”
“对了，反应式左边的总Ｂ值是＋２，而右边有两个质子和
一个中子，它们给出的Ｂ值是Ｂ＝＋３。这样，为了使两边的Ｂ
值平衡，Ｘ－粒子就必须有Ｂ＝－１。好了，我们已经‘利用’
这个反应找到了Ｂ值的意义了。这就是所谓‘胡扯’的贡献。”
她说，眼睛故意朝汤普金斯先生那个方向望去。“目前那些研究
者进一步宣布说，Ｘ－粒子在产生之后，便直接参加下面的反应：
X…　＋p＋　—→　p＋　　＋　p＋　＋　π…＋　π…（x）
你们喜欢这种说法吗？”
学生们机械地点点头。但是，在一阵悄悄的交谈之后，有几
个学生开始试着摇头了。
“怎么回事？”汉森博士询问他们，“你们不相信他们得出
的结果是正确的吗？”
经过进一步的讨论，然后有个学生解释说，如果Ｘ－粒子的
Ｂ值确实像他们先前所断定的那样等于－１，那么，在这个新反
应的前后，总Ｂ值是不平衡的，那就是说，这个反应根本不可能
是已经实现的。
“说得好！十分正确。他们确实是在骗人！实际上，Ｘ－粒
子所参加的是下面的反应：
X…　＋p＋　—→　π…＋　π…　＋　π＋＋　π＋　＋　π0（xi）
这就平衡了，你们可以查得出来的。好的，这就是说，你们已经
利用重子数这个概念作出了一个预测——预测出反应　（x）　是不可
能发生的。这也就是重子数这个概念的威力。”她转向汤普金斯
先生问道，“满意了吗，现在？”
他露着牙笑了，并且点头表示同意。
“事实上，”她继续说下去，“Ｘ－粒子就是反质子，通常
用Ｐ－表示它。反质子的质量与质子相同，但电荷和Ｂ值与质子
相反。反应（xi）是质子和反质子彼此湮没的一种典型方式。
“好了。现在我们要得出另一个概念。让我们来试一试下面
的反应——它是永远不会发生的：
Ｋ＋　＋n0　≠→　π＋　＋　Λ0（xii）
如果你们检查一下反应式两边电荷和重子数的总数，就会发现二
边正好符合。但是，我已经说过，这个反应是永远不会发生的。
你们为什么认为事情可能就是这样呢？”
“是牵涉到另外一种性质吗？”慕德提出她的看法。
“是的，你说得对。我们把它叫做奇异数，并用字母Ｓ来表
示它。Ｋ＋的Ｓ＝＋１；Ｐ＋，ｎ０，π－，π０和π＋都是Ｓ
＝０；而Λ０和Ｋ－则是Ｓ＝－１。
“请大家注意，普通的物质——质子和中子——都没有奇异
数。因此，要想产生带有奇异数的粒子，就必须一下子同时产生
两个（或更多个）粒子：一个带有Ｓ＝＋１，另一个带有Ｓ＝－
１（就像反应式（v）和（vii）所表示的那样）。这样，它们的
Ｓ组合相加起来正好等于原来的零。在第一次发现这种新粒子的
事例时——当时还不知道Ｓ，也不知道Ｓ必须守恒，由于这种粒
子总是彼此联系在一起成对地产生，人们觉得这种方式很古怪，
或者说很奇异，所以便有了‘奇异’这个名称。如果我没有记错
的话，我想在你们的小册子里就有一张粒子成对产生事件的照片，
你们可能也想看看它。总而言之，自从发现了奇异数以来，人们
又认证出一些别的性质：粲数，顶数和底数。



“这就是说，我们发现在这些碰撞中出现的每一个粒子都带
有特定的一组标签。举例来说，质子带有正电荷，即Ｑ＝＋１；
Ｂ＝＋１，Ｓ＝０，而它的粲数、顶数和底数统统等于零。
“不过，你们肯定会这样想，这一切都非常美妙，但是它同
寻找质子和中子的结构又有什么关系呢？我先前已经说过，我们
可以通过考察质子的近亲（即这些新粒子）去发现它是由什么构
成的。正是在这个阶段，我们被卷入到一些侦探工作中去。这里
的基本想法是：我们要把具有某些共同性质（相同的Ｂ、相同的
自旋等等）的粒子收集在一起，然后根据它们在另外两个性质上
所具有的值把它们排列起来。这两个性质，一个是我们刚刚谈过
的Ｓ，另一个叫做同位旋，用符号Ｌ表示。这个名称出自表示‘
同等地位’的名词‘同位’，因为事实上某些粒子是彼此极其相
似的：它们具有相同的强相互作用和几乎完全相同的质量，以致
人们倾向于把它们看做是同一种粒子的不同表现形式。例如．质
子和中子就被看成同一种粒子——核子——的两种形式，其中的
一种形式具有电荷Ｑ＝＋１，另一种形式则有Ｑ＝０。至于谈到
同位旋，它们分别具有Ｉｚ＝＋１／２和Ｉｚ＝－１／２（同位
旋这个名称中有个‘旋’字，是因为它在数学上的表现同普通的
旋转非常相似。
“定义Ｉｚ的一种办法是依靠关系式Ｉｚ＝Ｑ－Ｑ－，式中
Ｑ是粒子的电荷，Ｑ－是该粒子所归属的多重态的平均电荷。举
例来说，由于质子的Ｑ＝＋１，而中子的Ｑ＝０，所以它们的核
子双重态的平均电荷是Ｑ＝（１＋０）／２＝１／２，这又意味
着质子的Ｉｚ是Ｉｚ＝１－（１／２）＝＋１／２，而中子则是
Ｉｚ＝０－１／２＝－１／２。
“好了，正像我刚才说过的，现在我们要把一些带有某些共
同性质的粒子收集在一起，并按照它们各自特有的Ｓ值和Ｉｚ进
行排列，比方说，就像这样做……”
汉森博士在图板上勾画出一个粒子阵列的草图。



“这是我们所得到的一种图形：由８个都具有Ｂ＝＋１和
１／２自旋的重子所组成的集团。请大家注意，这是个六角形，
当中有两个粒子，你们都知道，其中包含有质子和中子。在这
样排列以后，我们开始认识到，质子和中子只不过是一个由８
个个体组成的家族中的两个成员。
“现在再看看这个……”
她画出第二个图形。
“这是Ｂ＝０、自旋等于０的介子家族，其中包含有π介子。
像前一个那样，这正好是同样完整的六角形，也是由８个个体组
成的。不过这一次在中心有一个附加的单态粒子。
“那么，我们要用这个图形做什么呢？得到这个重复出现的
相同图形仅仅是一种巧合吗？不，对于数学家来说，这个图形有
一种特殊的重要意义。这是从数学中一个名叫‘群论’的分支学
科得出的结论（到目前为止，群论除了描述晶体的对称性以外，
在物理学中还用得很少）。我们把这个图形称为‘ＳＵ（３）表
象’。‘ＳＵ’是Special　Unitary（特一元）的缩写，　它所描
述的是对称性的本质。而‘３’则表示三重对称性（请注意，当
我们把它旋转１２０°、２４０°和３６０°时，是怎样得到相
同的图形的）。
“除了带来这个六角形八重态图形外，相同的ＳＵ（３）理
论还使我们指望有其他三重对称性的图形。最简单的一种是单态。
在介子的情况下，我们同样有８个个体组成的图形。然后，还有
构成三角形的十重态……”
说到这里，汉森博士的话被敲门声打断了。她改变了说话的
口气。
“得，我们的小公共汽车来了。恐怕我得就此结束我简短的
讲话了。非常抱歉，不过我相信，在以后的讲座里，你们一定会
得到这类关于ＳＵ（３）表象的说明的。”
汽车行驶了很长时间才到达目的地。下车以后，他们发现自
己正在走向一座外观非常简陋的建筑物。
“加速器就在那里面吗？”汤普金斯先生感到有点失望，便
向导游这样问道。