“层子模型”建立始末，本文主要内容关键词为：始末论文,模型论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
［中图分类号］NO ［文献标识码］A ［文章编号］1000—0763—（2007）04—0062—06
20世纪兴起的粒子物理学是现代物理学的重要分支学科之一。在这一学科的成长过程中，中国的物理学家做出了自己的可贵贡献。除了杨振宁、李政道、丁肇中和吴健雄等旅居海外的物理学家做出的著名贡献之外，国内物理学家于60年代建立的层子模型也是一项具有特色的研究工作。它体现了中国一群物理学家在当时的历史背景下对粒子物理学国际前沿领域的积极探索。虽然由于种种原因，这一工作未能融入世界学术主流之中，但仍然产生了一定的国际影响。科学技术创新能力是一个国家在现代社会立于不败之地的重要因素。科技创新既需要继承前人的成果，也需要总结历史上的经验和教训。回顾层子模型建立的过程，不仅是中国现代物理学史的重要工作之一，也是对一项科学研究典型案例的解剖和分析。这对于我们今天的科学技术创新活动不无启发和借鉴意义。
一、层子模型提出的时代背景
20世纪中期，是粒子物理学从其母体——原子核物理学中脱胎出来并渐趋成熟之际。强子结构理论是这一时期粒子物理学蓬勃发展的一个重要方面。
1949年，费米（E.Fermi）与杨振宁合作，提出了π介子是由核子与反核子组成的假说。他们的理论具有一定的合理性，不过却难以解释后来发现的A粒子等所谓“奇异粒子”的构成。1955年，盖尔曼（M.Cell-Mann）与西岛和彦（K.Nishijima）总结分析了奇异粒子的性质，发现它们的量子数之间满足一个统一的简单关系式。在此基础上和在费米—杨模型的启发下，坂田昌一（S.Sakata）进一步把更为基本的粒子数扩充至质子、中子和A粒子三种，称之为“基础粒子”，认为各种介子是由基础粒子及其反粒子构成。然而这种理论却无法解释重子的组成。1961年，盖尔曼与纽曼（Y.Ne'eman）在坂田模型的基础上，提出了基本粒子SU（3）对称性的八重态方案。1964年在对称性理论基础上预言的新粒子Ω—被发现，从而有力地支持了SU（3）对称性理论。同年，盖尔曼与兹维格（G.Zweig）分别提出了强子（包括各种介子和重子等）由带分数电荷的粒子组成的假说。盖尔曼称这种假想的粒子为“夸克”（quark），而兹维格则称之为“艾思”（ace），后世通用“夸克”之名。夸克模型统一地解释了包括重子与介子在内的强子的组成，获得了很大的成功。截止到1965年，已发现的“基本粒子”数目达到107种，这与化学元素的数目相当。“基本粒子”数目如此之多，以至于“基本”二字已名不副实了。
在国际物理学界不断深入探讨物质微观结构的同时，我国对物质结构的认识也在不断深入。
1955年1月15日，在中共中央书记处扩大会议上，毛泽东主席向与会的钱三强询问有关原子核及核子的组成问题。钱三强根据当时的物理学发展水平，向毛泽东解释，质子和中子是最小的、不可再分的基本粒子。毛泽东说：“我看不见得吧。从哲学的观点来看，物质是无限可分的。质子、中子、电子，还应该是可分的，一分为二，对立统一嘛！不过，现在的实验条件不具备，将来会证明是可分的。你们信不信？你们不信，反正我信。”[1] 毛泽东关于物质无限可分的思想，引起了一些学者的注意。
1963年，《自然辩证法研究通讯》登出了译自俄文的坂田昌一的文章《基本粒子的新概念》。坂田在文中表明，其关于基本粒子结构的思想，是遵循恩格斯关于“分子、原子不过是物质分割的无穷系列中的各个关节点”的思想和列宁关于“电子也是不可穷尽的”观点的结果。该文引起了毛泽东的注意，1964年8月18日，他在与龚育之等一批哲学工作者谈话时，对坂田的文章表示极为赞赏，并再次阐述了物质无限可分的思想。[2] 同年8月下旬，在北京召开了由44个国家与地区代表参加的“北京科学讨论会”。会议期间，毛泽东在接见作为日本代表团团长的坂田昌一时，当面称赞他：“你的文章写得好”。第二天（8月24日），毛泽东即约请于光远和周培源到中南海谈话。他从坂田的文章谈起，再一次强调物质是无限可分的。[3] 1965年6月，《红旗》杂志重新翻译刊出了坂田的文章《关于新基本粒子观的对话》，并按照毛泽东谈话的精神，加了编者按语，明确提出物质无限可分的思想。由此引起了科学家和哲学家的热烈讨论。同年9月，《红旗》杂志发表了一批关于在科学技术工作中运用唯物辩证法的文章，其中包括龚育之的《关于物质的无限可分性》一文，另有朱洪元、高崇寿、徐光宪、艾思奇和于光远等人的文章。物质无限可分的思想为我国绝大多数学者普遍接受，在学术界产生了广泛的影响。
二、研究队伍的形成及层子模型的初建
层子模型是类似于夸克模型的关于强子结构的理论。这一理论是由我国一批物理学家通过集体研讨共同完成的。
从20世纪60年代开始，中国科学院数学研究所的张宗燧、北京大学的胡宁和中科院原子能研究所的朱洪元等几位学者经常和一些弟子及助手讨论一些粒子物理理论问题。他们讨论的内容随着国际粒子物理学界主流理论的发展由量子场论中的色散关系逐渐转向了基于群论的粒子对称性理论。后来他们组织了一个由中国科学院原子能研究所、数学研究所和北京大学一些感兴趣的人员参加的“基本粒子讨论班”，在讨论班里既举行座谈，也开展研讨活动。
1965年8月，时任原子能研究所所长的钱三强接受了中国科学院党组书记、副院长张劲夫交给的一个任务，要他把上述几个单位的粒子物理理论工作者组织起来，根据毛泽东主席提出的物质无限可分思想，进行基本粒子结构问题的研究。这一任务是由中国科学院、教育部、中宣部和对外文化联络委员会共同委托的。[4] 在钱三强的组织下，由原子能研究所基本粒子理论组、北京大学理论物理研究室基本粒子理论组、数学研究所理论物理研究室与中国科技大学近代物理系四个单位联合组成了“北京基本粒子理论组”（以下简称“理论组”），定期交流与讨论强子的结构问题。通过交流、讨论，并对美国、苏联与日本等国粒子物理研究的一些主要流派进行分析批判，“理论组”确立了反对西方的实证主义和数学唯心主义的观点，根据毛泽东“一分为二”的观点与方法进行基本粒子研究。盖尔曼在提出夸克模型时基于夸克分数电荷的奇异特性曾说过：“考虑夸克是具有有限质量的实物粒子（而非受到无限质量限制的纯粹数学实体）是可笑的”、“最高能量的加速器将会证实‘夸克’是没有真实意义的”[5]。这些话此时成了“理论组”批判的“靶子”。“理论组”认为：“事物都是包含内部矛盾的对立统一体，基本粒子与强子的内部要素也不例外，物质结构具有无限的层次性。”[6] 朱洪元把实验发现的强子质量谱的规律与原子的元素周期相类比，指出正像元素周期表反映原子的内部结构一样，强子质量谱的规律也是它们内部结构的反映，所谓的“基本粒子”并不基本，而是由几种组元组成的。[7]
在讨论会中，胡宁首先介绍SU（3）群及其群表示，以及如何利用其八重态和十重态表示对强子进行分类，后又陆续介绍了S
（6）群对称、S（12）群及其在粒子物理中的应用。通过对大量实验资料的分析，“理论组”注意到基本粒子在中子与质子的磁矩比、核子电磁形状因子、强子质量公式与分类等方面都表现出了SU（3）、SU（6）或S（12）对称性质，而在散射、强作用衰变等现象中又不具有这些对称性质。从唯象的对称性理论难以理解这种“既对称又不对称”的现象。[8] 因此他们面临的首要任务是找到一种新的途径、新的工具，把群论方法与结构模型思想有机结合起来，从而揭示强子结构的动力学性质。胡宁曾提出一种由处在两个p波状态的三个基础粒子构成重子的构想，以回避费米统计的困难。但这种设想却难以解释实验上所观察到的核子电磁形状因子与SU（6）对称、S（12）对称的一些特点。[9]
考虑到量子力学中的量子数、本征值与几率波的概念对粒子物理实验结果分析的有效性，“理论组”认为也可以用量子力学方法描述强子的结构和状态。另外，由于基本粒子大多涉及高速过程，而当时仅有的一个能处理相对论性量子力学束缚态问题的Bethe-Salpeter方程（以下简称“B-S方程”）尚存争议，朱洪元因此决定不把过多的精力放在猜想和求解一些没有多少根据的运动方程式上，而是首先在理论中引入能够描述强子结构特性的内部波函数。
在探讨基本粒子内部结构波函数的形式时，根据核子电磁形状因子实验结果的启示，朱洪元提出，虽然强子的整体运动可以是相对论性的，但组成强子的“亚基本粒子”的运动速度远小于光速，是非相对论性的。“亚基本粒子”之间具有超强相互作用，它与基本粒子（强子）之间的强相互作用不同，具有SU（3）对称性，强子的基态还具有SU（6）对称性，而普通的强相互作用只有SU（2）对称性。[10] 强子间的各种相互作用都是通过“亚基本粒子”之间、“亚基本粒子”与光子、轻子之间的相互作用来实现的。内部波函数包括反映强子角动量结构、么旋结构和内部“亚基本粒子”相对运动三部分。“亚基本粒子”间的超强相互作用的性质和强子的具体物理条件决定了强子波函数的对称性质；而“亚基本粒子”间的普通的强相互作用，及其与外场的相互作用和自身运动的相对论修正，则造成对称性的破坏。他用这种波函数在原点的数值、波函数的重叠积分以及强子组分的相互作用性质来表达跃迁矩阵元，用以统一地描述强子的一系列转化过程，而把决定波函数的力学规律和运动方程这样深入的问题留待以后去探讨。[11]
在原子能所，朱洪元、何祚庥与汪容是强子模型理论的研究骨干。汪容曾提出一套束缚态场论方案，但后来因其理论含有不可克服的困难而被放弃。强子模型的最初构想主要由朱洪元与何祚庥完成，而模型的推导和演算则首先由朱洪元给出。他们采用了一种“原子核方法”，就是把原子核研究中处理束缚态的场论方法做相对论推广，在基本粒子的形状因子趋于一个点时趋向于一般的量子场论。[12]
为解决SU（3）体系波函数的全对称性与结构模型理论中自旋为1／2的“亚基本粒子”组成的费米系统波函数的全反对称性的矛盾，朱洪元和何祚庥等了解到国外学者曾提出过一种Para统计。用此概念，不仅介子，而且重子也可以有SU（6）对称，三个“亚基本粒子”都处在s态。若“亚基本粒子”服从费米统计，就必须引入新的自由度。中国科技大学的刘耀阳完成了这项工作，引入了后来被称之为“颜色”的量子数。这样一来，不论“亚基本粒子”服从哪种统计，所得的结果都能成立。朱洪元成功地构造了一个关于介子的SU（6）模型后，又指导科大、原子能所的青年研究人员学习置换群的群表示论，并利用这种方法求出了静止状态重子的SU（6）对称的波函数。在此基础上，朱洪元后来又对这些“静止”的波函数进行相对论性改进，从结构的观点解释了强子为什么具有S（12）对称性。这样他们即初步建立了一个描述强子内部结构的波函数理论。这种理论能够较好地解释介子与重子体系的SU（3）、SU（6）、S（12）对称性。[13]
三、层子模型理论体系的完成
强子内部结构波函数的建立，为层子模型的完成打下了坚实的基础。
自“北京基本粒子理论组”初建，到最终层子模型理论体系的完成，构成理论组的四家单位之间乃至其内部就一直是合作与竞争并存。朱洪元作为原子能所理论物理研究室的主任，同时又兼任中国科技大学近代物理系教授，负责理论物理教学与研究工作，因而原子能所与科大之间的合作关系自然较为密切。北大与数学所也由于开展科研工作的需要而联合起来。四个单位即形成了两个相对集中的学术团体，相互之间既有密切的合作，亦有学术竞争。
在原子能所，朱洪元与何祚庥组织一些年轻研究人员利用已知正确的结果使用波函数进行了一些粒子实验过程的计算，并与实验值进行比较。为了不使理论过于唯象和粗糙，在计算出结果之后，朱洪元又将其改写为B-S方程的协变形式。在何祚庥的组织下，一批研究生和年轻的研究人员根据模型的计算方法，对于电磁相互作用和弱相互作用领域中的十多个较有代表性的实验现象进行了定量的理论研究。理论计算结果绝大部分和实验数据符合得很好，不但能给出过去对称性理论所得到的结果，并赋予这些结果以结构的内容，还得到了一些由单纯群论方法所得不到的结果，找出了更多实验现象之间的内在联系。就这样，原子能所在模型建立中先行了一步。他们将第一批计算结果发表在1966年3月出版的《原子能》杂志第3期上，后一批成果发表在该杂志的7—8期上。
北京大学以胡宁为首的基本粒子理论组在国内最早实现了主攻方向由色散关系理论向有关强子结构的对称性理论的转移。在与其他三个单位正式组成理论组专攻强子结构之前，他们已完成了一系列有关粒子对称性与内部结构的研究工作，为后期的合作攻关奠定了坚实的基础。北大与数学所在早期调研时做了较多的工作，宋行长、戴元本等人阅读了大量的国外文献，并在理论组中做过多次报告，大家都努力钻研建立模型所需要的基础理论。当朱洪元与何祚庥将原子能所的计算结果在理论组报告之后，北大与数学所受到激励，于是两单位联合起来，在扎实的理论基础之上，分析了有关强子性能的其他一些物理现象，运用B-S方程，把理论做得更为精细。北大的研究人员熟练地掌握了群与群表示理论的技巧，他们把SU（6）、S（12）对称的波函数写成了简练而明确的形式。数学所的戴元本在量子场论的研究方面有较深的造诣。他和其他研究人员一起将这一相对论性结构模型改写成协变场论的形式，并写下用以计算的一些费曼规则。[14] 北大与数学所的研究成果发表在1966年5月出版的《北京大学学报（自然科学）》第二期上。而科大近代物理系的研究人员，由于在竞争中“处于十分不利的地位”，“决定不参与解方程的竞争，而另找方向。”结果刘耀阳在国内率先引进了后来被称为“夸克颜色”的量子数。[15]
经过不到一年的认真工作，由39人组成的“北京基本粒子理论组”，在三期杂志上共发表了42篇研究论文（综述性文章不计在内），提出了关于强子结构的理论模型。
国际物理学界称强子的亚结构粒子为“夸克”或“艾思”。“理论组”在三期专刊上所发表的文章中使用了“夸克”、“亚基本粒子”、“元强子”和“基础粒子”等名称，始终未能统一称谓。1966年7月下旬将在北京举行北京科学讨论会1966年暑期物理讨论会，届时将有来自亚洲、非洲、拉丁美洲和大洋洲国家及一些地区的140多位代表参加会议。为了准备此次会议，在北京民族饭店召开了预备会。在这次预备会议上，大家一致认为“夸克”、“元强子”等名称不能反映毛泽东关于物质的结构具有无限层次的哲学思想。钱三强提议用“层子”这个名字代替“夸克”、“元强子”等，大家都觉得这更能确切地反映物质结构的层次性，层子这一层次也只是人类认识的一个里程碑，也不过是自然界无限层次中的一个“关节点”，因而大家一致接受了这个名字。[16] 之后国内学术界即把北京“理论组”提出的关于强子结构的理论统称为“层子模型”理论。在很长一段时间内，“层子”之名响彻中国，“夸克”却很少再被人们提起了。学者们认为，“层子”是我们中国科学家命的名字，我们应当积极宣传和使用。[17]
北京科学讨论会举行期间，“理论组”共提交了7篇有关层子模型的论文在会上宣读，引起了很大的反响。日本代表团团长早川幸男回国后说，中国粒子物理研究人才辈出，达到了日本朝永振一郎年代的景象。[18]
四、层子模型的影响及评价
层子模型在建立之初就与物质无限可分的哲学思想联系在一起，而其科学意义却不为多数人所知。后世对于层子模型的评价几乎是毁誉参半，这与其时代背景和科学意义的交叉影响不无关系。
在北京科学讨论会结束的当晚，毛泽东、刘少奇、周恩来等国家领导人接见了各国代表，周恩来举行了招待宴会。与会的巴基斯坦著名物理学家，1979年诺贝尔物理学奖获得者萨拉姆（A.Salam）当着周恩来的面高度评价层子模型：“这是第一流的科学工作！”会后，他把层子模型的结果带到了当年在美国召开的第13届高能物理国际会议上。[19] 他还积极提倡开展“亚层子”问题的研究。另一位诺贝尔物理学奖获得者格拉肖（S.L.Glashow）在不同场合都曾强调物理学家是象剥洋葱一样一层一层地深入物质结构，并且提议把构成夸克与轻子的下一级结构成分命名为‘毛粒子’（Maons），以纪念已故的毛泽东主席，因为他一贯主张自然界有更深的统一性。[20] 与萨拉姆、格拉肖同一年获得诺贝尔奖的温伯格（S.Weinberg）也曾提到：“北京的理论物理学家小组长期以来一直偏爱某个夸克理论，但他们却称之为‘层子’，而非夸克，因为这些粒子比寻常强子代表着更深层的现实。”[21]
层子模型初成之时，适逢文化大革命发动之初，此后的理论研究以及与国外学术界的交流都几乎完全中断。理论组的研究人员有的投身“文化革命”，有的成了专政对象，被关进“牛棚”，其余的人也无所事事，层子模型的深入探讨到此便告一段落。由于没有后继工作，加之中外交流的中断，虽然理论组的工作曾为部分国际同行认可，但绝大多数人却都不甚了了，因而未能在国际上引起较大的反响。
在特殊的时代背景下，层子模型在很长一段时间内被认为是毛泽东思想指导或运用于自然科学研究之典范。1978年，层子模型获得了中国科学院重大成果奖与全国科学大会奖。1980年初，在广州从化召开了粒子物理国际会议。朱洪元代表当年的“理论组”在会上做了《关于层子模型的回忆》[22] 的报告，原“理论组”中有25位学者在这次会上做了学术报告。李政道、杨振宁都对这次会议所提交的以层子模型为代表的论文给予了高度评价。[23] 1982年，层子模型理论又获得了国家自然科学奖二等奖。当初的“理论组”成员中先后有几人当选为院士，其余人员后来大都活跃在理论粒子物理学领域，成为各方粒子物理研究的学术领导人。可以说，通过创建层子模型的研究会战，不仅取得了系统的研究成果，而且培养了一大批从事粒子物理理论研究的人才。
在国内学术界，层子模型工作几乎是尽人皆知，而对其价值评定，却是众说纷纭，褒贬不一。既有人认为层子模型“是强子结构研究的重要开拓”，[24] 已“非常接近最后的结果”，[25] 属于接近诺贝尔奖的工作；也有人认为层子仅仅是夸克的另一种说法，层子模型并没有给物理学留下有积极意义的东西，[26] 未能达成公认标志性的成果。[27] 对层子模型产生不同评价的原因是多方面的。鉴于层子模型建立时的政治、哲学背景，许多人将其看作物质无限可分思想在科学界的体现。在夸克禁闭现象被发现之前，国内学术界普遍对物质无限可分的观念深信不疑，深受这种观念影响的层子模型也自然受到青睐。而且人们坚信，随着实验条件的发展，终会证明层子也是可分的。随着物理学领域夸克禁闭的确证，物质是否无限可分逐渐成了一个颇有争议的话题。今天已有不少人对物质无限可分说提出了质疑，这自然会影响人们对层子模型的看法。上个世纪60年代，夸克模型只限于讨论由对称性能够得出的强子分类、新粒子预言和粒子的质量、自旋、电荷、磁矩等静态性质；[28] 而层子模型不但考虑了对称性，还考虑了强子的高速运动，包含层子动力学的某些信息，是相对论协变的，这些都是其胜于夸克模型之处。但随后几年国际粒子物理学飞速发展，夸克模型不断得到完善和提高，很快成为国际科学界普遍接受的一种正统理论，而层子模型已经成为止步不前的历史陈迹。这也影响人们对于层子模型历史地位的客观认识。另外，科学界的一些人际关系矛盾也影响了对这一理论学术价值的公正评价。
层子模型建立至今已经40年了，这一研究工作是在国家支持下，集中了一群科学家的智慧，并吸收了国外有关理论和思想，集体创造而完成的。它在理论上和方法上都有创新，研究结果得到了国际同行的认可和好评，是当时我国粒子物理理论研究领域取得的一项重要创新性成果。层子模型的研究工作也为我国粒子物理学的发展奠定了坚实的知识基础和人才基础。这是一个理论创新的典型案例。在大力提倡科技创新立国的今天，回顾和总结层子模型建立的历史，可以从中获得多方面的启示。
（致谢：在完成本文之前，笔者曾就层子模型问题拜访请教了原“北京基本粒子理论组”成员、中国科技大学近代物理系原系主任、安徽省物理学会理事长、安徽省核学会和生物医学工程学会理事长
教授，在此谨致谢忱！）
［收稿日期］2006年6月6日