3位美國科學(xué)家戴維·格羅斯、戴維·波利策和弗蘭克·維爾切克，因發(fā)現(xiàn)粒子強(qiáng)相互作用理論中的漸近自由現(xiàn)象，榮獲2004年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會稱頌這3位粒子物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)為：“夸克世界中的一個(gè)燦爛發(fā)現(xiàn)”。
戴維·格羅斯1941年出生于美國首都華盛頓，1966年在著名的加利福尼亞大學(xué)伯克利分校獲物理學(xué)博士學(xué)位。此后，他曾在哈佛大學(xué)和普林斯頓大學(xué)工 作，并于1972年被普林斯頓大學(xué)聘為教授。1977年1月，格羅斯來到風(fēng)景秀麗的加利福尼亞海濱，擔(dān)任加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的卡夫利理論物理研究 所所長。在從事物理學(xué)研究的幾十年間，他曾獲美國國家科學(xué)院、美國物理學(xué)會、美國科學(xué)促進(jìn)會和一些私人基金會的多項(xiàng)科學(xué)大獎(jiǎng)。
戴維·波利策于1974年獲哈佛大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，目前在加利福尼亞理工學(xué)院物理系擔(dān)任教授，同時(shí)也是該校粒子物理研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人之一。加州理工學(xué)院坐落于帕薩迪納美麗的圣蓋伯利山腳下，是美國聲名顯赫的名牌私立大學(xué)之一。
弗蘭克·維爾切克1951年出生在紐約的皇后區(qū)，在芝加哥大學(xué)物理系本科畢業(yè)后，前往普林斯頓大學(xué)繼續(xù)深造。1988年，他前往美國西海岸的加利福尼亞 大學(xué)圣巴巴拉分校擔(dān)任教授；2000年秋天，他重回東海岸，擔(dān)任麻省理工學(xué)院的物理系教授。他被譽(yù)為美國最杰出的理論物理科學(xué)家之一。
對微觀世界的孜孜探索
自遠(yuǎn)古以來，人們就在探討物質(zhì)由什么組成，有沒有共同的基本單元。19世紀(jì)末，人們?nèi)哉J(rèn)為這種共同的單元就是原子；直到1896年放射性被發(fā)現(xiàn)和 1897年電子被發(fā)現(xiàn)之后，人類對物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識才前進(jìn)了一大步。1932年中子的發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識到各種原子都是由電子、質(zhì)子和中子組成的。當(dāng)時(shí)人們把 這3種粒子和光子稱為基本粒子，20世紀(jì)40年代以來，研究它們的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，逐漸發(fā)展成為物理科學(xué)中的一門獨(dú)立學(xué)科——粒子物理學(xué)。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，特別青睞粒子物理學(xué)這門探索微觀世界的物理學(xué)科，在104年間共23次對39人授獎(jiǎng)，使其成為物理學(xué)中獲獎(jiǎng)最多的學(xué)科。
英國人湯姆森最先打開通向粒子物理學(xué)的大門：1897年，通過研究氣體放電現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)基本粒子——電子，因而榮獲了1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1928年，印度人拉曼發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)被單一頻率的光束照明時(shí)，在與原來方向直角射出的光束中，含有表明該物質(zhì)特性的其他頻率，這是由光與物質(zhì)之間的能量交換引起的。這個(gè)被稱為“拉曼效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，成為研究分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析的有力工具，獲得了1930年獎(jiǎng)。
英國人威爾遜1912年發(fā)明了探測粒子的重要實(shí)驗(yàn)裝置——云霧室，云霧室能顯示出電子穿過空氣的徑跡，于1927年獲獎(jiǎng)。此后，眾多科學(xué)家使用云霧室獲得了粒子物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)。
英國人布萊克特1921～1931年改云霧室為云霧照相術(shù)，成為探測宇宙輻射的自動(dòng)儀，從而導(dǎo)致了核物理領(lǐng)域和宇宙線方面的一系列發(fā)現(xiàn)。這位宇宙線學(xué)派的創(chuàng)立者，獲得了1948年獎(jiǎng)。
奧地利裔美國人赫斯1911年通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了宇宙線粒子，獲1936年獎(jiǎng)。宇宙射線的研究，導(dǎo)致了后來對高能粒子加速器的研制。
美國人安德森1932年使用云霧室，從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了電子的反粒子——正電子，第一次證實(shí)自然界確有反粒子存在，與赫斯同享1936年獎(jiǎng)。
日本人湯川秀樹1935年提出了傳遞核力的介子理論，并預(yù)言質(zhì)量約為電子質(zhì)量200倍的粒子——介子的存在，獲1949年獎(jiǎng)。
英國人鮑威爾，1947年根據(jù)湯川秀樹的預(yù)言，使用自創(chuàng)的照相乳膠記錄法，從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)π介子。這位被譽(yù)為“粒子物理之父”的學(xué)者榮獲了1950年獎(jiǎng)。
π介子從預(yù)言到發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著人類對物質(zhì)的認(rèn)識又向前跨進(jìn)了一大步，即從認(rèn)識原子核到認(rèn)識基本粒子的領(lǐng)域。
美籍華人李政道和楊振寧，在合作研究的課題中，提出弱相互作用下的宇稱不守恒原理，徹底推翻了曾被認(rèn)為是物理學(xué)中最牢固、不可動(dòng)搖的法則之一——宇稱守 恒定律，從而導(dǎo)致在粒子物理學(xué)方面的一系列重大發(fā)現(xiàn)。這兩位卓越的炎黃子孫，榮獲1957年獎(jiǎng)，成為首次榮膺諾貝爾獎(jiǎng)的中華兒女。
意大利裔美國人塞格雷與美國人張伯倫合作，于1955年用高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子的反粒子——反質(zhì)子，獲1959年獎(jiǎng)。
美國人格拉塞1952年發(fā)明了能精確測定亞原子粒子軌跡的氣泡室，為基本粒子的研究提供了新的技術(shù)手段，獲1960年獎(jiǎng)。
美國人阿爾瓦雷斯1954年改進(jìn)了氣泡室和基本粒子數(shù)據(jù)分析技術(shù)，獲1968年獎(jiǎng)。
美國人霍夫斯塔特1955～1958年用直線加速器探測原子核結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了核子——質(zhì)子和中子的中心，都有一個(gè)帶正電的核心，被兩層π介子云所圍繞，質(zhì)子的兩層云都帶正電，而中子的內(nèi)層帶負(fù)電荷，因而使整個(gè)粒子的凈電荷為零。這位核子的發(fā)現(xiàn)者獲1961年獎(jiǎng)。
美國人蓋爾曼1961年效仿佛教的“八正道”，提出粒子分類的“八重法”，把全部粒子劃歸為簡單有序的族類系統(tǒng)，形成粒子系統(tǒng)的“元素周期表”，并提出關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型，獲1969年獎(jiǎng)。
美籍華人丁肇中和美國人里克特于1974年分別發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量的電中性介子——J/φ粒子，并證明它是具有“粲”（charm）特性的第4種夸克。粲夸克的發(fā)現(xiàn)者榮獲了1976年獎(jiǎng)。
美國人克羅寧和菲奇1964年在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)復(fù)合宇稱不守恒現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)粒子物理學(xué)中一些“不可違背的”基本規(guī)律，導(dǎo)致粒子物理學(xué)中一次重大 變革，并在天體物理學(xué)中引起重大反響，可用于解釋宇宙最早期的粒子生成，這個(gè)長期沒有解決的根本問題。這兩位中性κ介子衰變中的宇稱不守恒的發(fā)現(xiàn)者，獲 1980年獎(jiǎng)。
法國人夏帕克1968年發(fā)明了多絲正比室，這個(gè)裝置是高能物理實(shí)驗(yàn)中常用的探測器之一，促進(jìn)了粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，獲1992年獎(jiǎng)。
榮獲1988年獎(jiǎng)的3位美國人萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格合作，于1962年發(fā)現(xiàn)了第二種類型的中微子——μ子型中微子，并證實(shí)了輕子的雙譜線結(jié)構(gòu)，獲 1988年獎(jiǎng)。這些發(fā)現(xiàn)是人類對微觀世界探索的一個(gè)重要里程碑：輕子可以分為兩代；世界萬物均由輕子和夸克組成，它們之間的相互作用是由媒介子傳遞的。
榮獲1995年獎(jiǎng)的2位美國人萊因斯和佩爾的發(fā)現(xiàn)，使人類對物質(zhì)深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解又前進(jìn)了一步。他們的發(fā)現(xiàn)表明，自然界存在著3代夸克和輕子。
美國人萊因斯1955年在實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)中微子，證實(shí)了泡利1930年的預(yù)言。中微子不受強(qiáng)相互作用如電磁相互作用的影響，因而能輕而易舉地穿透大量物質(zhì)。美國人佩爾1975年通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了重輕子——τ輕子：一種帶負(fù)電的基本粒子，比電子重3700倍。這兩位粒子物理學(xué)家榮獲了1995年獎(jiǎng)。
美國人費(fèi)曼和施溫格，日本人朝永振一郎20世紀(jì)40～50年代分別發(fā)展了量子電動(dòng)力學(xué)理論，對基本粒子物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，解決了統(tǒng)一場理論形成過程中的某些問題，獲1965年獎(jiǎng)。
美國人格拉肖和溫伯格，巴基斯坦人薩拉姆，于1967年分別提出弱相互作用與電磁相互作用統(tǒng)一的理論及模型，獲1979年獎(jiǎng)。他們的研究成果為實(shí)現(xiàn)愛因 斯坦設(shè)想的包括自然界中存在的四種基本力（引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力）的統(tǒng)一場理論，邁出了重要的一步。
荷蘭人范德 梅爾與意大利人魯比亞分別于60年代末和1976年提出“隨機(jī)冷卻”的設(shè)想，用于制造高能物理加速器。根據(jù)他們的設(shè)想制造的大型實(shí)驗(yàn)裝置，于1984年1 月發(fā)現(xiàn)了傳遞場粒子Ｗ±和Z°粒子的發(fā)現(xiàn)及其性質(zhì)，最終確定了弱電統(tǒng)一理論的正確性。范德梅爾與魯比亞的設(shè)想是對高能物理學(xué)的一大貢獻(xiàn)，獲1984年獎(jiǎng)。
荷蘭人韋爾特曼和他的學(xué)生霍夫特因提出一個(gè)適用于新型規(guī)范理論的方案，闡明了20世紀(jì)70年代初提出的弱電統(tǒng)一理論的量子結(jié)構(gòu)，獲1999年獎(jiǎng)。韋爾特 曼60年代末發(fā)明了“Schoonchip”計(jì)算機(jī)程序，對采用量子場論計(jì)算物理量時(shí)所用的表達(dá)式進(jìn)行了代數(shù)簡化?；舴蛱?span lang="EN-US">1969年提出一種整化非阿貝爾 規(guī)范場論的新途徑。此后他們又共同制定了一套計(jì)算方法。弱電非阿貝爾規(guī)范理論已成為一種功能性的理論工具，它使粒子的物理量精確計(jì)算成為可能。
物質(zhì)世界最小粒子
構(gòu)成自然界的最小粒子是什么？這些粒子如何構(gòu)成人們所看到的萬事萬物？自然界存在著什么樣的作用力，它們之間是如何相互作用的？這些問題一直困擾20世紀(jì)的物理學(xué)家，并仍然對那些在大型粒子加速器上工作的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家構(gòu)成挑戰(zhàn)。
20世紀(jì)前葉，放射性的發(fā)現(xiàn)和研究以及原子物理的相繼發(fā)展，產(chǎn)生了強(qiáng)作用力和弱作用力的概念。簡言之，強(qiáng)作用力使構(gòu)成原子核的粒子結(jié)合在一起，弱作用力則使之發(fā)生放射性衰變。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)，讓人們回憶起粒子物理學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代，這個(gè)時(shí)代從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束到20世紀(jì)80年代為止。在這個(gè)粒子物理學(xué)時(shí)代，物理學(xué)家 們不停地在粒子加速器和黑板上傾泄激情，他們終于認(rèn)識到自然除重力之外還有3種基本力，即與光和化學(xué)有關(guān)的電磁力，與輻射衰變有關(guān)的弱作用力和將原子核組 合在一起的強(qiáng)作用力。
美國物理學(xué)家弗里德曼、肯德爾和加拿大物理學(xué)家泰勒，于1957年成立了斯坦福直線加速中心和麻省理工學(xué)院聯(lián)合實(shí)驗(yàn)小組，用20吉電子伏的加速器，進(jìn)行深度非彈性電子——質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子里面有點(diǎn)伏結(jié)構(gòu)，即硬核——核子內(nèi)部的夸克。這3位學(xué)者因發(fā)現(xiàn)夸克的存 在，榮獲1990年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的研究告訴人們，物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，中子和質(zhì)子則由夸克所構(gòu)成。夸克是物質(zhì)世界更基本的粒子，也就是說，夸克是物質(zhì)世界、包括人類自身最小的構(gòu)成元素。
然而，當(dāng)人們試圖打開質(zhì)子或中子時(shí)，卻從未發(fā) 現(xiàn)單個(gè)、自由的夸克，只有2個(gè)或3個(gè)夸克的集合體才能處于自由狀態(tài)，通常情況下，夸克總是被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部。這是目前科學(xué)研究無法完全解釋的問題。 只有了解夸克之間的相互作用力的性質(zhì)，才有可能得到單個(gè)的自由夸克，從而解決這個(gè)難題。
人們從來沒有看見過單獨(dú)存在的夸克，物理學(xué)家推測將夸克結(jié)合在一起的力一定非常強(qiáng)大。因此，他們也將強(qiáng)作用力稱為“色力”，認(rèn)為它是原子核內(nèi)具有統(tǒng)治地位的力量。但與此同時(shí)，粒子加速器上的實(shí)驗(yàn)，卻顯示質(zhì)子中的夸克粒子間，好像并沒有相互作用力。
這是怎么回事？
直到20世紀(jì)70年代初期，物理學(xué)家仍在黑暗中探索強(qiáng)相互作用力，他們面臨著一個(gè)令人頭痛的問題，即用于研究弱作用力的無限應(yīng)對技術(shù)不能應(yīng)用于強(qiáng)作用力。
1973年，3位獲獎(jiǎng)?wù)咛岢龅?span lang="EN-US">“漸近自由”理論，對此提供了解釋，讓這些問題應(yīng)刃而解。這3位物理學(xué)家在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表文章，用數(shù)學(xué)模型解釋了 夸克的上述神秘行為。他們的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，表面上看起來是完全矛盾的，在夸克之間距離很近的時(shí)候，相互作用會變?nèi)酰@與客觀的相互吸引力是完全不同的。3位獲 獎(jiǎng)?wù)咴?span lang="EN-US">20世紀(jì)70年代提出的理論認(rèn)為，強(qiáng)作用力會隨夸克彼此間距離的增加而增大，因此沒有夸克可以從原子核中向外遷移獲得真正的自由。這些夸克會永久地被結(jié)合在一起，因此不可能找到單個(gè)的夸克。同樣根據(jù)“漸近自由”理論，強(qiáng)作用力會隨夸克間距離變小而減弱，這就意味著約束在質(zhì)子等內(nèi)部的夸克，在彼此距離足夠小時(shí)，將近乎自由地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
讓荒謬的世界
變成有序的世界
1973年，正在普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位的維爾切克和導(dǎo)師格羅斯共同發(fā)表了一篇論文，提出強(qiáng)作用理論中的漸近自由現(xiàn)象。不久他們得知，正在哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位的波利策同年獨(dú)立發(fā)表的一篇論文也提出了同樣的理論。美國麻省理工學(xué)院的粒子物理學(xué)家羅伯特·賈弗博士對3位獲獎(jiǎng)?wù)叩某晒谎砸再澲簝善撐?讓“荒謬的世界”變成了“有序的世界”。
3位獲獎(jiǎng)?wù)哂猛昝赖臄?shù)學(xué)公式提出一種嶄新理論。乍一看，他們的理論是完全矛盾的，因?yàn)閷λ麄?的數(shù)學(xué)結(jié)果的解釋表明，夸克間的距離越近，強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)夸克間彼此非常接近時(shí)，強(qiáng)作用力是如此之弱，以至于它們的行為完全就像自由粒子。物理學(xué)家們將這種現(xiàn)象稱為“漸近自由”，即漸近不縛性。反過來也是正確的，即當(dāng)夸克間的距離越大時(shí)，強(qiáng)作用力就越強(qiáng)。這種特性可用橡皮帶的性質(zhì)比喻，即橡皮帶拉得越長，作用力就越強(qiáng)。
漸近自由理論解釋了質(zhì)子和中子的成分夸克，為什么從來都不會分離開來。這個(gè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個(gè)全新的理論——量子色動(dòng)力學(xué)的誕生。
量子色動(dòng)力學(xué)是描述夸克間的相互作用的物理學(xué)學(xué)科，認(rèn)為與電子帶有電荷類似，夸克和膠子（一種傳導(dǎo)強(qiáng)作用力的基本粒子）帶有色荷，基于色荷的色力或者強(qiáng)作用力，具有比電磁力更為復(fù)雜的作用方式和更為奇特的現(xiàn)象，“漸近自由”就是一個(gè)明顯的例子。
粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型
夸克漸近自由現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，確立了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。非阿貝爾規(guī)范場的漸近自由性質(zhì)，使得物理學(xué)家可以對自然界多種作用力有一個(gè)統(tǒng)一的描述方式。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了與電磁力、強(qiáng)作用力、弱作用力有關(guān)的所有物理現(xiàn)象，但它并沒有包括重力。在量子色動(dòng)學(xué)家的幫助下，物理學(xué)家終于能夠解釋為什么夸克只有在極高能的 情況下才會表現(xiàn)為自由粒子。在質(zhì)子和中子中，夸克總像“三胞胎”一樣出現(xiàn)。
通過科學(xué)家的不懈努力，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí) 驗(yàn)支持，是惟一能夠兼顧現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱——愛因斯坦相對論和量子力學(xué)的理論模式。由于3位獲獎(jiǎng)?wù)叩陌l(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家更接近一個(gè)偉大夢想——為強(qiáng)相互作 用力、電磁相互作用力、弱相互作用力、萬有引力構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的理論，一個(gè)適用于所有物質(zhì)的理論。
21世紀(jì)——打開自由夸克
通過了解夸克間相互作用力的性質(zhì)，就有可能找到打開自由夸克的辦法。如果能夠合理利用夸克內(nèi)部的強(qiáng)作用能，那么人類就有可能獲得比核能還要大得多的能量。因此，打開自由夸克的研究有巨大的應(yīng)用能力，將成為21世紀(jì)物理學(xué)的熱門課題。
當(dāng)人們打開物質(zhì)的每一個(gè)層次的時(shí)候，都有很大的應(yīng)用價(jià)值。例如從分子到原子，從原子到原子核。特別是原子核，人類可以利用核能。假如人類能夠看到這個(gè)自由夸克，人類就可以合理地利用夸克里面的強(qiáng)作用能，而那個(gè)能量比核能可能還要大得多。如果有一天，人類能夠充分認(rèn)識基本粒子及相互的作用力并掌握和利用“ 粒子能”，那么這種利用的效果將是空前的。
此外，利用粒子物理還可以進(jìn)行有關(guān)令人神往的宇宙學(xué)的研究，探尋宇宙早期的演化。宇宙剛剛形成的瞬間，只是以基本粒子狀態(tài)存在，研究夸克等基本粒子，將可以幫助科學(xué)家回溯宇宙的初始階段，從而了解宇宙由過去到現(xiàn)在的演化歷程
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