粒子物理学

粒子物理学是40年代前后建立的一门新学科，它研究比原子核更深层次的微观世界中物质结构性质和在很高能量下这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。它是当代物理学发展的前沿学科。本世纪50年代末以前，我国一些物理学家在该领域的诸多方面都做过较有成效的研究，为粒子物理学的建立和发展做出了一定的贡献。30年代后期，郭贻诚（1906～）曾在美国加州理工学院从事宇宙粒子云室研究。他拍摄了 1000 张以上的粒子径迹照片，测定了宇宙线中高达100MeV的电子的能量损耗，并从理论上讨论了损耗机制，还测定了宇宙线中介子的质量。他是我国早期从事粒子物理研究的先驱者之一。
     1946 年，马士俊（1913～1962）在美国普林斯顿高等学术研究院发现了S矩阵的著名的多余零点，1949年在爱尔兰都柏林高等学术研究院指出E.Fer-mi 处理量子电动力学方法的一个困难，从而导致一年后Gupta-Bleuler方法的产生。除这两个重要贡献外，马士俊对分子理论中氘核的光磁蜕变及其磁矩（1940）、原子核的静电偶极矩（1940）、质子与中子的内受激态（1940），以矩阵法预测介子的散射（1942）、在辐射阻尼影响下带电介子散射（1944）及其相对论公式（1943）、散射问题积分方程的近似解（1945）等都有过独到的研究，并做出了创造性的贡献。此外，他对于核力介子场论和相互作用表象及束缚态理论也做过有意义的探讨。彭恒武（1915～）于1941～1943年在爱尔兰都伯林高等学术研究院与W.Heitler合作进行介子理论方面的研究工作，先后发表过有关介子散射、质子-质子碰撞产生介子、光子-核子碰撞产生介子、以及宇宙线介子理论等多篇论文。由于他在理论物理研究的贡献，1945年与M.玻恩一起获得了英国爱丁堡皇家学会的麦克杜加尔-布列斯班（MacDougall-Brisbane）奖。1947年他回国后，继续进行核物理研究，同黄祖洽合作研究核子-核子散射问题，他对分子结构提出了以电子键波函数为基础的计算方法，提出了以寿命关联实验探讨量子力学隐参数问题。
     朱洪元（1917～1992）1947年在英国曼彻斯特大学对高能电子在磁场中运动时放出的电磁辐射的性质在理论上进行了全面研究，得到了这种电磁辐射的频谱、角分布和极化态的具体表达式。在他的论文《关于高速荷电粒子在磁场中发射的电磁辐射》（1947.3）被“Proceedings of theRoyal Society”接收后一个月，在美国一台能量为70MeV的电子同步加速器上第一次观察到了这种电磁辐射。因此后来称这种辐射为“同步辐射”。这种辐射由于其频谱很宽，自然准直性非常好，极化态明确，强度很高，而且具有脉冲时间结构，现已被非常广泛地应用。40年代初，胡宁就在美国普林斯顿高等研究院运用介子场论方法对核力理论进行了系统的研究。1948～1950年他在美国威斯康星大学原子核研究所任研究员时，对核理论和介子理论里的S矩阵的性质进行了一系列的研究，深入地讨论了在能量-动量复平面上S矩阵的解析性质及其物理解释，以及怎么样可能消除S矩阵元发散性等，这些工作为50年代中期基本粒子强相互作用理论里的色散关系方法的建立提供了必要的准备。
     1950年，梅镇岳在加拿大国家实验室研究宇宙射线，观察到粒子径迹成对或成三聚集，而且有些径迹可以肯定为π介子留下的。事实上这些是强子衰变后所产生的粒子留下的径迹。故梅镇岳所观察到的粒子正是目前命名为K介子和ρ介子等粒子。他还观察到在宇宙线中出现相对论性重粒子及其在乳胶中国碰撞而破裂的现象。这些重粒子的观察和分析对于宇宙线的起源和宇宙论都有重大意义。1948年，杨振宁与F.Fermi共同提出π介子是质子与反质子束缚态的可能性，开导了研究粒子内部结构的先河。1949 年，他和李政道、M.Rosenbluth合作，提出了普适费米作用和中间玻色子存在。1950年，他又从推导一个粒子湮灭为二个光子的选择定则中提出了决定介子衰变的对称本性的方法。1954年，他和R.L.Mills合作提出“杨-Mills场”理论。
     该理论将场的概念加以推广，为场论应用到弱相互作用和强相互作用等方面打开了通途。“杨-Mills场”对当代物理学的发展具有深远的影响，它不仅为1979年获诺贝尔物理奖的 S.L.Glashow、S.Weinberg、A.Salam 三人提出的弱相互作用和电磁相互作用统一理论提供了基本方法，而且开辟了非阿贝尔（N.H.Abel）规范场的新研究领域，为现代规范场理论（包括弱电统一理论、量子色动力学理论、大统一理论、引力场规范理论等）打下了基础，而且近年来被数学家运用于拓扑学而取得了重大突破。杨振宁对粒子物理学的另一重大贡献是关于对称原理的研究。1956年，他与李政道合作，深入研究了当时令人困惑不解的所谓θ-τ之谜，即后来所谓的K介子有两种不同的衰变方式，一种衰变成偶宇称态，另一种衰变成奇宇称态。如果弱衰变过程中宇称守恒，那么它们必定是两种宇称态的不同K介子。但从其寿命和质量看，它们又是同一种介子。
     李政道和杨振宁及其合作者起先曾提几种模型说明K介子衰变现象，但经过许多观测均不成功。于是他们转向对粒子反应中的各种对称性证据进行研究，经过周密地对奇异粒子θ介子和τ介子的实验检查发现，在弱作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的证实。他们便提出，在弱作用中宇称是不守恒的，同时提出了几种检验β衰变、超子和介子衰变等弱作用过程中宇称是否守恒的实验方案。1957 年，吴健雄（1912～）小组在极化原子核C的β衰变的实验中证实了宇称不守恒，随后不久，宇称不守恒在其他弱作用过程的实验中也得到了证实。因而，他们的研究成果很快得到学术界的公认，并获得了1957年诺贝尔物理学奖。