李政道:粒子物理的光辉前景

Christine Sutton (CERN)


    在获得诺贝尔奖50周年的今天,李政道先生最近访问了西欧核子中心(CERN)。李政道认为,粒子物理的现状仍然是非常乐观的,这个观点不容置疑。

    1957年12月10日,二位年轻的旅美中国学者抵达斯德哥尔摩领取诺贝尔物理学奖——这是中国人第一次获得诺贝尔奖。李政道和杨振宁为他们在1956年夏天做的工作,获得了这个世界上最著名的科学奖项。他们提出弱相互作用对宇称,即对所有空间方向的反转,是不对称的。授予他们诺贝尔奖使当时物理学界持续一年多的由于τ-θ之谜而引起的动荡,随着核β衰变实验,而得到最恰当的终结。在这实验中吴健雄和她的同事证明李和杨是正确的:在弱相互作用中自然界破坏了宇称对称性。

   
T. D. Lee




李政道在CERN的演讲会上,热情赞誉这50年来粒子物理所取得的巨大进展。

    半个世纪过去了,李政道仍然关注着,探索着物质最基本的构造。他重点关注的是基本粒子的对称性,尽管在过去的岁月中许多方面已经改变。他指出,我们关于物质是由什么构成的概念与50年前相比已相当的不同了。今天,我们知道,所有一切物质都是由12种粒子组成,6种夸克和6种轻子。这里的所有一切物质——不包括暗物质,不包括暗能量,但是包括所有我们这样的物质——每颗星星,我们的银河系,宇宙中所有的星系都是由这十二种粒子构成的。

    这12种粒子,可以分成4个家族。每个家族包含3种具有相同电荷的粒子。这构成了当前粒子物理标准模型的基础。这些都是我们的学生首先要学的课题。可是,在1957年,物理学家只知道它们中两种粒子——电子和µ子,两者都是带电轻子。夸克是后来才知道的,而五十年前与核β衰变相关联的中微子事实上是现在了解的三种不同中微子的一种混合态。五十年来,这个领域硕果累累,共发现了6种夸克,第三种带电轻子(τ 子)和3种中微子。李政道强调,“五十年前,我们只知道中微子的一种形态,但是我们不知道这一种形态事实上是现在知道的三种中微子组合的一个相干混合态”。现在,李政道的主要兴趣集中在研究轻子和夸克的混合现象。这种混合分别由2个3×3矩阵描述。李政道称这2个矩阵是粒子物理的重要基石。

    李政道为粒子物理的进展感到由衷的骄傲,他认为20世纪下半叶取得的硕果可以与19世纪末叶取得的相媲美。在1890年代发现了电子之后,卢瑟福(Ernest Rutherfold)用他在α,β和γ辐射方面的工作打开了新世界的大门。李政道注意到,20世纪物理的很大部分,是分别通过强相互作用,弱相互作用和电磁相互作用来研究 α,β和γ衰变的。所有这些构成了标准模型的基础。“现在,100年过去了,我们认识到,所有的物质都是由12种粒子组成,它们分属4个家族,每个家族由3种相同电荷的粒子组成。这实在是非常神奇”。他深信,这个领域正处在新发现的边缘,随着对这些基本组元的进一步探索,新的、伟大的物理发现将会诞生。

    在过去50年中,大家对李政道在粒子物理方面的贡献印象深刻。在中国长大,并且在那里已经证明他自己是一名出色的学生,因此在1946年他获得了中国政府的奖学金。这使他得以进入芝加哥大学。1950年在费米教授指导下荣获博士学位。1953年,他任职哥伦比亚大学助理教授,至今他仍是该校一名富有活力的教授。

    他在粒子物理里的研究领域非常广泛,从只具有非常弱的作用的,几乎是无形无踪的中微子世界,到又浓又稠的像西餐汤似的强相互作用夸克胶子等离子体。1950年代末,在哥伦比亚大学,李政道教授对研究高能带区的弱相互作用的热忱超过了对粒子衰变的研究。所以这种倾向激励了他的实验同事,促使Melvin Schwartz构想出产生中微子束的方法。布鲁克黑文国家实验室1962年那个著名的实验应运而生。该实验证实了存在着两种不同的中微子,它们分别与电子和 μ子相关联。

   

T. D. Lee




1965年,在获得诺贝尔奖8年后,李政道在CERN的一次中微子会议上演讲弱相互作用问题。

    2年之后,布鲁克黑文又一次传出令人振奋的,突破性实验结果。James Cronin,Val Fitch和他们同事发现电荷共轭和宇称(CP)组合对称性在中性K介子衰变中被破坏。这种现象其实可以在6种夸克和它们的3×3混合矩阵的框架范围内得到解释。这些也是李政道目前工作的焦点。

    差不多同时,李政道对场论还作出了开创性贡献,该贡献最终成为描述强相互作用理论的量子色动力学的一个重要部分,现在被称为Kinoshita-Lee-Nauenberg定理。该定理用于处理规范理论中红外发散问题。在QCD中,它成为理解从夸克和胶子中产生喷注的基础——是粒子对撞机上进行的一个重要的研究课题,不论是在早年的SLAC的SPEAR对撞机上还是在CERN的即将开始运行的LHC上都是如此。除此之外,在表现形式为夸克-胶子等离子体的高温高密度QCD物质的物理中,李政道作出了他最重要的贡献之一。他促使人们认识到,人类实际上是有可能观察到这种振奋人心的物质新状态的。1974年,当时实验物理学家关注的都是小了又小的尺度,但是他却提出了新的思维:“将高能量或高核密度物质分布在相对较大的空间,这对于探索新现象具有相当大的意义。特别需要指出的是,在重核碰撞中,他看到了真空恢复破缺对称性的希望。这也是那些推动布鲁克黑文RHIC对撞机项目的科学家的动机之一。而李政道在过去的几年中已经怀着激动的心情见证了强作用下夸克胶子等离子体实验得到的结果。他同时还看到了重离子对撞物理与暗能量物理之间的可能联系,两者都可能与集体场(标量场)有关,在物质场存在时都能产生负压力。“我深信在LHC上进行的重离子项目对于探索这种可能性是十分重要的”。

    最近李访问CERN,他看到为LHC实验工作的巨大努力和准备。他在思考,这些实验将会发现些什么?他预期LHC会作出重要的发现,包括发现新粒子,例如Higgs粒子存在的证据。他的关于宇宙中对称性的进一步想法将会使他个人提出更多的预言。

    他深信,宇称,电荷共轭和时间反演中的不对称并不是物理基本定律内的不对称。实际上,他认为,它们仅仅是解的不对称,也就是说,在我们生活与其中的大膨胀的宇宙中的不对称,仅仅是解的不对称。换句话说,他看到了CP破坏自发对称破缺的一种效应。在这种情况下,李说,有可能会发现右手的W和Z粒子,他们将与已经发现的左手的W和Z粒子相匹配。其他的新粒子有可能是无质量引力子的有质量伴子,就像无质量的光子有重的W和Z伴子一样。“它们一定会露出水面,而LHC将会是为实现这个目标的第一个窗口。”

T. D. Lee

李政道在ATLAS合作组发言人Peter Jenni的陪同下,参观地下隧道内的实验装置。

    LHC将来能带来的预期成果与李政道描绘的粒子物理锦绣全景非常吻合。李政道说:“这将成为一个转折点,从我们在这儿发现的新物理中,我们还将了解,下一步我们该做什么。我们期待LHC将呈现给我们一个充满新发现的世界,这些发现将为我们将来的探索指引方向。”荣获诺贝尔奖的半个世纪以来,李政道对粒子物理的前景一直保持着激动乐观的态度。“我深信,对于物理学来说,21世纪初叶的重要性等同于20世纪初叶(前50年)。而LHC将会是做出第一批发现的第一台机器。我们都非常荣幸能亲历其境。”

    (原文刊登在"CERN COURIER",V47,N10,P35, 2007,“欧洲核子研究中心快报”第47卷,第10期,35页,2007年, URL:http://cerncourier.com/cws/article/cern/31867

    (得到欧洲核子中心许可翻译成中文并发表在2008年1月11日科学时报A2版,王垂林译, URL:http://www.sciencetimes.com.cn/htmlnews/2008111121715296199141.html?id=199141)

    感兴趣的读者,可以进一步参阅: 李政道在CERN作报告时的实况录像。报告的题目为“电-弱相互作用中的对称和不对称(宇称不守恒发现50周年)”。请访问以下网址观看录像: http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=19674

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