基本粒子探索中的科学美学问题浅析*

韩 锋

(济宁学院 物理与信息工程系，山东 曲阜 273155)

基本粒子探索中的科学美学问题浅析*

韩 锋

(济宁学院 物理与信息工程系，山东 曲阜 273155)

从和谐、对称、简单、统一四方面探讨了基本粒子物理学探索中的科学美学特性.结果表明:科学美学原则及其研究方法对基本粒子的提出、研究及其相关理论的完善均起到积极的推动作用.

基本粒子;科学美学;大统一理论

基本粒子物理学建立至今，虽然只有短短几十年的历史，但是发展却十分迅速，已成为目前国际上最活跃的学科之一.基本粒子物理学的研究路线大致说来有三条:第一条是各种基本粒子的发现.这除了实验设备、实验技术日趋改善之外，还与美学思想的指导分不开.第二条是提出各种理论模型，对基本粒子的结构进行猜测，这更与科学美学密切相关.第三条研究路线是基本粒子相互作用力的研究.四种相互作用力统一思想的提出，显然受到科学美学传统的影响.下面，我们就按照这三条研究路线来大致分析一下基本粒子探索中的美学问题.

1 基本粒子是遵循美的规律的

基本粒子可以按其自旋的不同分为两大类.一类是自旋为1/2奇数倍的粒子，称为费米子.它们满足费米统计，即每一个粒子状态最多只容纳一个这样的粒子.另一类是自旋为1/2偶数倍的粒子，称为波色子.它们满足波色统计，即每一个状态可容纳任意多个这样的粒子.基本粒子的这种分类，就像是人类男女两性的分类一样.人类社会由于性别差异形成了一种特殊的互补对称，这是人类社会美的基础.基本粒子世界由于费米子与波色子的差异，也形成了一种特殊的互补对称性，构成了基本粒子世界特有的美.

受门捷列夫元素周期表美的启发，美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家尼门于1961年分别独立提出了基本粒子的周期表.在表中，各组粒子根据它们不同的性质，排成一种美观的对称形式.盖尔曼称之为“八重式”，就好像元素周期表中的八列元素一样.在这张基本粒子周期表中，质量相近、性质相近，只是电荷量不同的粒子，可以看做是同一个基本粒子的不同电荷态，就像是元素周期表中同位素的概念一样.它们有相同的总同位旋，只是具有不同的同位旋分量.如中子和质子的质量以及它们在原子核中的性质都十分相近，可以把它们看作同一种基本粒子——核子的两个不同的荷电状态，它们以不同的同位旋量子数互相区别.同一种同位旋的多重态粒子(同位旋粒子)，可以形象地看成是同胞兄弟穿着不同的电磁服装.在不同的总同位旋粒子中，我们也可以发现它们之间存在一定的亲缘关系.实验结果证明，最轻的八个介子虽然质量相差很大，总同位旋也不相同，但是它们的性质却很相近，如自旋都是零，宇称都是负的.因此，可以把它们看成是属于同一家族的.同样，八个最轻的重子也可以看成是属于同一家族的.如果我们把同位旋多重态看作是门捷列夫元素周期表中周期的话，那么上述不同总同位旋的八重态，就相对于门捷列夫周期表中的不同的族.当然，基本粒子的研究还很不充分，但不远的将来，基本粒子周期表一定可以和元素周期表相媲美.

2 基本粒子模型是按照美的规律提出的

盖尔曼提出了八重态的基本粒子周期表以后，深深地感到周期表必须再有一个更为基本的粒子才能达到完善.这个粒子必须具有特定的质量和一系列其他特性.盖尔曼于1964年在分析实验数据时，得益于艺术作品《芬尼斯的彻夜祭》，提出了夸克模型.从运动学的角度来看，夸克模型具有较大的科学美学价值，符合简单性的美学原则.夸克的德文原意是社会底层人物吃的带臭味的软乳酪.盖尔曼发现，他只需要三种不同的夸克子，就能利用这三种夸克子的不同组合来构成所有已知的重子.夸克的艺术喻意是具有不同的颜色和味道，其实质却完全一样.基本粒子物理学中的三种夸克，实际上也可以看作是同样的粒子穿着不同的服装.也就是说，由于各种不同的相互作用，才使夸克出现一些差异.如果我们把所有的相互作用都去掉，那么这三种夸克在实质上是一样的.夸克的这一物理性质正好与夸克的艺术喻意相吻合.物理学家们认为，这一语言上的突破，就像是量子物理学上的突破一样重要.夸克取名意料不到的成功，充分显示了艺术语言渗入科学研究的重要性，并且为物理学家乃至全体自然科学家开辟了一条科学研究的新路，鼓励他们发挥丰富的想象力，从语言艺术中吸取养分，充分利用艺术隐喻的巧妙性和美感，对物质世界进行思考.

盖尔曼认为，可以由三种夸克复合成各种粒子.这三种夸克分别称为上向、下向和侧向夸克.进一步的研究指出:这三种夸克存在着互换而不改变某些性质的美学特性.或者说，存在着在这三种夸克互换的变换下保持不变的对称性质.对于这种对称性质的科学美学研究，导致了应用数学中SU(3)群理论方法来研究基本粒子分类的问题.SU(3)群的运算是对三个完全等价的对称粒子最自然的数学描述.值得指出的是，在基本粒子研究中，人们利用夸克互换变换下保持不变的对称特性和SU(3)群的运算，预言重子存在十重态，并且准确地估计了当时尚未发现的欧米茄反粒子的质量.1964年巴拉斯在实验中确定了欧米茄反粒子的存在，其质量与预计的数值相当.重子十重态存在的预言，与毕达哥拉斯认为“十”是最完美的数具有某种相应性.基本粒子十重态的图示，恰好与毕达哥拉斯当年的三角形数相吻合.科学理论的美学原则，在基本粒子理论模型的选择中也起着重要的作用.如坂田模型，由于缺乏内部统一的对称性，其本身也不是最简单的粒子，它还有更深的内部层次，因此物理学家认为其审美价值比不上夸克模型，坂田模型很快就在基本粒子的研究领域中消失了.

诺贝尔奖金获得者格拉肖，从审美的角度谈到夸克模型今后的发展方向.它认为，三种夸克被认为是具有特殊变化的电荷，可是它们只能结成一对“夫妻”，还剩一个独身，这从结构上来说是不美的.因此他说:“如果还有第四种夸克味道来保证‘独身’夸克能有配偶，那么配置就会更整齐些了.可以猜想出来，今后对这位独身粒子的探索是需要完成美满婚姻的想象物，有吸引力的夸克.”1974年在理论上引进了第四种夸克，正好与独身的夸克配成一对.1984年实验发现，还存在底夸克与顶夸克，它们也是颇为幸福的一对小夫妻.

从动力学的角度来看，物理学家也按照美的规律提出了各种基本粒子模型.其中比较著名的是形状因子模型、结构函数模型、部分子模型、强子结构的袋模型等.如强子结构的袋模型是从夸克模型的颜色与味道的对称性美中引申而来的.物理学家认为，夸克在动力学的情况下，相互交换一种被称为胶子的矢量介子，它对于夸克的颜色具有特殊的作用.由于胶子的作用，使得夸克间的超强相互作用对于颜色SU(3)群是完全对称的.因此，这种相互作用显得特别美.在夸克体系中，对称性最高的颜色单态是无色态，这是最稳定的结构，因而也是最常见的状态.强子结构的袋模型并不能十分满意地解释夸克幽禁问题，因为我们对强子结构的理解还十分肤浅，所以到目前为止，还没有一个强子结构模型可以称得上是美的.

3 基本粒子的四种相互作用力的统一

统一性历来是科学美学最高的审美理想.这种审美理想，在基本粒子相互作用力的研究中体现得尤其充分.基本粒子之间存在着四种相互作用，正是这些相互作用导致了粒子的产生、湮灭和相互转换，形成了粒子运动丰富生动的图像.基本粒子之间的相互作用，从科学美学的角度来说具有以下美学特征:

强相互作用:结合核子成为原子核的核力以及介子和重子相互作用时产生的粒子过程.在强相互作用过程中，所有的守恒定律都成立，对称性最高，因而最美.

电磁相互作用:所有带电粒子、光子之间的相互作用.从理论发展形式来说，电磁相互作用理论最完美，麦克斯韦方程组永远是各种相互作用理论的典范.

弱相互作用:除光子以外，各种粒子在衰变过程中都具有弱相互作用.在弱相互作用中，更多守恒的美遭到破坏.如:同位旋守恒、奇异数守恒、宇称守恒等.

引力相互作用:所有粒子都具有引力相互作用，在基本粒子领域里引力作用常可忽略，对于引力相互作用的美目前所知不多.

由此可知，基本粒子相互作用力越强，它所具有的守恒性的美也就越多，对称性也愈高，所涉及的粒子却愈少.相反，相互作用力愈弱，守恒性的美就愈少，对称性也就愈低，所涉及的粒子却愈多.值得注意的是，每一种相互作用力的大小常常与粒子所处的状态有关，在极高能的条件下，弱相互作用力可以变得很强，而强相互作用力却变得较弱.几种相互作用力的强度大有一致的趋势，这就引起物理学家想把这四种力统一起来的美学遐想.从目前的美学水平来看，已经可以确认，所有的相互作用都具有相同的机制，它们都是由中间媒介粒子所引起的，只不过各种相互作用的媒介粒子并不相同，因此这四种相互作用，从更深的意义上理解可能存在着一定程度的统一性.物理学家，特别是理论物理学家，从科学美学的原理出发，总是希望把大量彼此分离的现象归结为一个简单而美妙的理论.这种统一性的工作不但标志着科学上的辉煌成就，而且标志着科学美学上的巨大成功.爱因斯坦在20世纪上半叶，花费了四十年时间，企图把引力相互作用和电磁相互作用统一起来.他的工作虽然没有完成，但给后人指出了十分诱人的研究领域.

基本粒子四种作用力的统一，以电磁相互作用和弱相互作用的统一最有成效.1967年温伯格和萨拉姆提出了弱电相互作用统一的规范理论，克服了重正化发散的困难，并预言了荷电的中间波色子和中性不荷电中间波色子的存在.中间波色子在1983年被发现，增加了弱相互作用和电磁相互作用之间相似的美学因素.弱相互作用的耦合常数和电磁相互作用的耦合常数也十分相像，具有普适的性质.这些都是温萨理论美丽的地方.为此，他们获得了1979年的诺贝尔物理奖.在弱电统一性取得初步成效的今天，人们已开始探索弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用之间的统一.实现最终的美学理想，当然还需要把引力作用也包括进来，一旦我们找到一种能够统一描述各种相互作用的完整理论，那将是科学美学史上一件划时代的大事.

［1］阴瑞华.物理科学美的特点及其方法论意义［J］.中国成人教育，2008，(5).

［2］程民治.海森堡的科学美学思想［J］.安徽师范大学学报，1998，(3).

［3］杨建邺.光怪陆离的物质世界——诺贝尔奖和基本粒子［M］.北京:商务印书馆，2008.

［4］殷鹏程.基本粒子探索［M］.上海:上海科学技术出版社，1978.

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