世界当代科技史-第3章
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核的相互作用很弱，寿命也比预言的长许多倍，不可能是汤川预言的介子。
1947年，英国的鲍威尔（1903—1969）小组利用他们自己发展的核乳胶技术
探测宇宙射线，发现了另外一种粒子，其质量是电子的273倍，被称作π介
子。这才是汤川预言的粒子。而μ介子与核力无关，后来就把它改叫做μ子。
到1947年时，科学家们已经认识到了14种基本粒子，有光子、轻子（包
括正负电子、正负μ子和预言中的中微子、反中微子）、3种π介子、重子
（包括中子、质子和预言中的反中子、反质子）。已发现的基本粒子许多是
在解决原子核结构问题时首先在理论上预言尔后在宇宙射线或实验中证实
的。这是基本粒子研究的第一阶段。
1947年，宇宙射线专家、英国的罗彻斯特（1908—）和巴特勒（1922—）
发现，在宇宙射线的云雾室照片中，有两种呈V字形的径迹。从能量与动量
守恒定律分析判断，这是质量约为电子质量1000倍的两种粒子。这类粒子最
初被称为V粒子，后来又称为⊙粒子，最后称为K介子。1949年，鲍威尔小
组又发现了一个带电粒子分裂成3个π介子的事例。起初称之为T粒子，后
来命名为K介子。这些发现使物理学家大感意外，促使他们大力改进实验技
术。结果接二连三地发现了另外一些新粒子。这些新粒子可分为两类。一类
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是K介子，另一类是超子。超子的质量比质子和中子重。它们是1951年发现
的Λ超子、Σ超子和1954年发现的Ξ超子。K介子和超子都有一些奇特的性
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质。它们都产生得快（10秒），衰变得慢（10秒）；在产生过程中是强
相互作用起作用，在衰变中是弱相互作用起作用。所以人们把它们统称为奇
异粒子。到50年代末，人们认识到的基本粒子已达30种。它们大多数是从
宇宙射线中发现的。这是基本粒子研究的第二阶段。
与此同期，美籍意大利物理学家塞格雷（1905—）等人于1955年发现了
反质子。此后又有人发现了反中子。对费米提出的中微子 （实际上是反中微
子）的验证也取得突破性进展。中国物理学家王淦昌 （1907—）对此作出了
突出贡献。由于中微子不带电，不参与电磁相互作用和强相互作用，所以很
难测到它的踪迹。直到40年代初，还没有任何实验能够验证它的存在。1941
年，王淦昌从抗战时期非常困难而又闭塞的中国后方，向《物理评论》寄了
一篇“关于探测中微子的建议”的论文，明确指出用K俘获的办法可以较容
7
易地发现中微子。1942年，艾伦按照王淦昌的方案测量了 Li的反冲能量，
7
取得了肯定的结果，但未能观察到单能的 Li反冲。直到1952年，罗德拜克
3 37
和艾伦的 7Ar的K俘获实验才第一次测出 Cl的单能反冲能。同年，戴维
7
斯测出了 Li的单能反冲能，与王淦昌的预期结果相符，从而间接验证了中
微子的存在。1956年，美国物理学家莱因斯 （1918—）和小柯恩 （1919—）
等人利用大型反应堆，直接探测到了铀裂变过程中所产生的反中微子。1968
年，人们才探测到了来自太阳的中微子。
从60年代起，物理学家们又发现了一大批共振态粒子。实际上，50年
代末已发现了好几种共振态粒子，但没有引起人们的重视。至60年代人们才
对共振态粒子有了新的认识。共振态粒子比其他基本粒子寿命短，以至无法
将这种粒子分离出来。目前已发现的共振态粒子有300多种。它们又被叫做
第三代基本粒子。
（3）基本粒子理论
随着基本粒子的不断涌现和人们对其性质的深入研究，关于基本粒子的
理论也在不断发展。人们渴望在多样性中寻求统一，也希望揭示基本粒子的
内部结构和运动规律。因此，基本粒子理论研究主要集中在基本粒子结构和
各种粒子相互作用方式的统一性两个方面。
π介子被发现以后，费米和杨振宁于1949年提出π介子可能是由质子、
中子及其反粒子构成的。1953年，美国物理学家霍夫施塔特（1915—）用高
能电子轰击质子。从电子散射的情况发现，质子的电荷不是集中于一点。此
外，实验中测出中子的磁矩分布也有一定范围。这说明质子和中子是有内部
结构的。奇异粒子被发现后，费米与杨振宁模型无法说明奇异数的来源。为
此，日本的坂田昌一自觉运用恩格斯的辩证唯物主义思想，提出了强相互作
用粒子的复合模型，也叫坂田模型。坂田认为，质子、中子和超子Λ可作为
强子（包括介子和重子两大类）的3种基础粒子，所有强子都是这3种粒子
与它们的反粒子构成的复合体。坂田模型对于基本粒子结构的研究起到了开
创性作用。它不仅解释了介子、重子的一些性质，而且还预言了η°介子的
存在。1961年发现的η°介子与坂田理论非常一致。但坂田模型也存在严重
缺陷，还有一些事实无法解释。
1961年，美国的盖尔曼（1929—）和以色列的奈曼（1925—）提出了以
对称性为基础的8重态模型。它把若干种性质十分相近的粒子看成是同一种
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粒子的不同态。基本粒子大家族由这样的一些8重态构成。1964年，盖尔曼
又提出了夸克模型。他认为只要用u、d、s 3种夸克置换坂田模型中的
3种基础粒子，就可以用夸克u、d、s及其反夸克u 、d、s组成所有
的强子。夸克模型认为，介子由夸克与反夸克组成，重子都由3个夸克组成。
这一模型的独到之处在于：夸克的重子数与电荷数都具有分数值，而且每个
夸克的质量要比它所组成的强子大得多。夸克模型解释了介子与重子的性
？ ？
质，预言了Ω 粒子的存在。1964年，Ω 粒子被发现，其质量和预计的相
当。夸克模型很快引起人们重视。
1966年，以朱洪元和胡宁为首的中国北京基本粒子理论组根据已有的实
验和理论，认为对称性的产生与破坏都说明强子内部有某种结构，由此提出
了一种强子结构的层子模型。“层子”表示它也是物质无限层次中的一个层
次。层子模型唯象地引入了强子中的层子波函数，以描述强子的内部结构，
并用相对论20协变方法计算了强子的各种弱作用衰变和电磁作用衰变的衰
变率。理论与实际相符合。基本粒子具有内部结构的思想也日益为人们所接
受。
1970年，美国物理学家格拉肖 （1932—）等人提出第四种夸克存在的
假设，称作粲夸克（C、C）。1974年，美籍华人丁肇中
（1936—）实验小组和美国物理学家里希特 （1931—）实验小组分别独立发
现了一个大质量、长寿命的窄共振态介子，称为Ｊ/ψ粒子。盖尔曼的夸克模
型不能解释它的性质，而用粲夸克则可对这种新奇的共振态介子作出解释：
Ｊ／ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的。后来实验又发现了一些只含一个
粲夸克和一个反粲夸克的介子和重子。1977年，费米实验室的莱德曼（1922
—）又发现了一种新的重介子r（宇普西隆）。人们又猜测r可能是由第五
种夸克和反夸克组成的。这样就共有u、d、s、c、b 5种“味”的夸克。人
们又把每种“味”夸克分成红、绿、蓝3种颜色。“味”和“色”都是不同
量子状态的形象化表示。理论上研究认为，自然界的夸克数应为偶数。人们
认为还应存在第六种夸克，并取名为顶夸克（t）。但这还有待于实验证实。
究竟有多少种夸克？高能物理的理论分析的结论是夸克的“味”不会超过16
种。
由于夸克模型能够成功地解释许多已知事实，所以人们对它非常重视，
极力寻求自由夸克。科学家们用海水和陨石作实验，探测宇宙射线，使用各
种高能加速器，但这些努力都毫无所获。对此，多数人认为是“夸克禁闭”
造成的：当夸克之间的距离增大时，其结合力的势能也随之趋向无穷，因此
夸克将永远被囚禁在强子之中。但也有少数人认为自由夸克的质量很大（而
在强子中束缚状态的夸克质量并不大），现有的高能加速器所提供的能量还
不足以产生出自由夸克来。70年代初，在量子规范理论的基础上发展了一种
描述强相互作用的新理论——量子色动力学。根据这一理论，存在着与电磁
场对应的胶子场。电磁场的作用量子是光子，胶子场的作用量子是胶子。光
子和胶子的静止质量都为零，自旋都为h。但光子不带电荷，而胶子则带色
荷。有8种不同色荷的胶子，把夸克牢牢地粘合在一起。人们把看不到带色
的自由夸克和胶子叫做色禁闭。按照汤川介子理论和夸克模型理论，强相互
作用的传递者是π介子，π介子由夸克和反夸克组成，因此，π介子传递强
相互作用的性质，来源于胶子传递强相互作用的性质。1979年8月，丁肇中
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①
实验小组在西德汉堡正负电子对撞机上发现了三喷注现象。实验值与量子色
动力学的理论计算值相符。这间接地证明了胶子的存在。但强子结构理论的
研究，仍面临许多重大问题。与此相关，如何理解物质的可分性和物质可分
的无限性，也有待人们深入探讨。
在探索基本粒子结构的同时，对基本粒子相互作用方式的统一性的研究
也取得重大进展。在基本粒子世界中，除已知的引力和电磁相互作用外，还
存在强相互作用与弱相互作用。强相互作用是汤川秀树在研究核子的结合力
时首先明确提出来的。强相互作用的力是短程的，但强度大，大约是电磁作
用的100倍。弱相互作用最初是由费米在β衰变理论中提出来的。弱相互作
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用的力程极短，其强度只有强相互作用的10分之一。
早在40年代，人们就开始探讨弱相互作用与电磁相互作用的统一了。
1961年，格拉肖提出了一个弱电统一的理论模型，为弱相互作用与电磁相互
作用的统一奠定了基础。美国的温伯格（1933—）在1967年、巴基斯坦的萨
拉姆（1926—）在 1968年分别提出了弱相互作用与电磁相互作用的规范理
论，简称W—S模型。它不仅可以解释已知的弱相互作用与电磁相互作用的基
本规律外，还预言了尚未被人所知的传递弱相互作用的粒子——中间玻色子
＋ ？
W、W和Z°。1983年，意大利物理学家鲁比亚领导的小组通过高能质子一
反质子对撞机的实验找到了这3种中间玻色子。实验结果与理论预言基本一
致。弱相互作用与电磁作用在理论上已能统一起来，但它所预言的另一个粒
子“黑格斯”至今尚未找到。近年来，以夸克模型，W—S模型和量子色动力
学为基础的标准模型逐步发展起来，形成一个比较成功的基本粒子物理理
论。物理学家正朝一个目标努力，试图把3种乃至4种相互作用统一起来，
建立大统一理论。1984年，英国伦敦大学的格林教授和美国加州大学的斯瓦
兹首先提出了超弦理论。1985年，美国另一位物理学家戴维·格劳斯又提出
了杂化弦的超弦理论。超弦理论旨在解决引力的量子化和将4种相互作用统
一起来的问题。这是探索大统一理论的最新进展。
在微观粒子体系中，有一种反映空间的左右对称性的概念，叫做宇称。
不同种类的基本粒子，或具有偶宇称，或具有奇宇称。1956年以前，多数物
理学家都认为，由多个粒子组成的体系，无论在相互作用中发生什么变化，
它的总宇称是保持不变的。这就是宇称守恒定律。但在1954—1956年，人们
在实验中发现了质量、寿命和电荷都相同的两种粒子，一个叫θ介子，一个
叫τ介子。这两种粒子的唯一区别在于：θ介子衰变为2个π介子，而T介
子衰变为3个π介子。3个π介子的宇称为负，2个π介子的宇称为正。所以
从衰变行为来看，如果宇称守恒，则θ和τ不可能是同一种粒子。但它们的
质量、寿命和电荷都相同，又应是同一种粒子。这就是所谓的“θ—τ”之
谜。1956年，在美国工作的物理学家李政道（1926— ）和杨振宁（1922—）
对当时有关实验资料作了全面考察。他们发现在电磁相互作用和强相互作用
中，宇称是守恒的；但在弱相互作用过程中，并没有可靠的实验证据。他们
指出：“目前的θ—τ之谜可以看作是宇称守恒定律在弱相互作用中并不成
立的一个迹象。”如果在弱相互作用中，宇称可以不守恒，则θ—τ之谜将
迎刃而解。李、杨二人还提出用哪些实验可以检验宇称守恒定律。另一位华
① 高能正负电子相撞时，末态强子飞行方向的分布并不是各向同性的，而是集中在某几个立体角很小的区
域内，很象从正负电子对撞点喷射出去的几束粒子注，因此称为喷注。
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裔美籍女物理学家吴健雄 （1915— ）率先用 Co实验对宇称守恒定律作了
检验，证明了在β衰变过程中宇称确实是不守恒的；θ和τ是同一种粒子也
得到了确认 （即K°介子）。弱相互作用中宇称不守恒的提出和证实，使人
类对基本粒子性质及弱相互作用的规律的认识跃上一个新高度。李政道和杨
振宁因这一成就于 1957年获得诺贝尔物理学奖。这是华人第一次获诺贝尔
奖，而且取得成就后一年就被授奖，在历史上是没有先例的。
（4）高能实验装置
用于原子核物理和基本粒子物理研究的高能实验装置之一是粒子加速
器。它用人工加速带电粒子，可产生高能量、高强度的粒子束，是人类历史
上规模最大、耗资最多的实验装置。最早的加速器是1932年英国物理学家考
克饶夫特（1897—1967）和爱尔兰物理学家瓦尔顿（1903—）在卢瑟福实验
室建造的倍压加速器。它是一种直线型加速器。由于技术上的困难，直线型
加速器长期没什么发展。直到第二次世界大战以后，由于微波技术的发展和
稳相原理的提出，
