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默里·盖尔曼


   默里·盖尔曼(MurrayGell-Mann)1929年09月15日出生于美国纽约的一个犹太家庭里。童年时就对科学有浓厚兴趣,少年才俊,14岁从进入耶鲁大学,1948年获学士学位,继转麻省理工学院,三年后获博士学位,年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。1953年到芝加哥大学当讲师.参加到以费米为核心的研究集体之中,1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授,年后升正教授,成为加州理工学院最年轻的终身教授。
  人物经历
  人们说他有“五个大脑”,遗传运算法则创始人约翰·赫兰(麦克阿瑟天才奖获得者)称他是“真正的天才”,1977年诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森曾评价他“现存的在广泛的领域里拥有最深刻学问的人”,1979年诺贝尔物理奖获得者斯蒂文·温伯格说他“从考古到仙人掌再到非洲约鲁巴人的传说再到发酵学,他懂得都比你多”。
  1929年生于纽约的一个犹太家庭,父亲曾就读于维也纳大学和海德堡大学,移民美
  默里·盖尔曼
  默里·盖尔曼
  国后管理着一个语言学校,“他是来自解体前的奥匈帝国的移民,但说着无可挑剔的英语,并在语言上也这样苛求我”,盖尔曼后来回忆到。就在他出生前几周,美国大萧条时期降临,所以童年时他的家庭一直很拮据。童年的盖尔曼兴趣十分广泛,很早就成为街区里有名的神童——他的同学认为他是“会走路的大百科全书”。到14岁时,他考虑申请到耶鲁大学,父亲问他想学什么,“我回答说‘只要跟考古或语言学相关就好,要不然就是自然史或勘探’,父亲的第一反应是‘你会饿死的’”。时值1944年,战争时期的美国经济状况并不理想,他的父亲强烈建议他学“工程”,然而讽刺的是,在经过能力测试后盖尔曼被认为适合学习“除了‘工程’以外的一切学科”。于是他父亲建议:“我们干吗不折中一下,学物理呢?”正是这个“意外事件”造就了后来的夸克理论提出者、1969年诺贝尔物理学奖获得者和“统治基本粒子领域20年的皇帝”(格拉肖语)。
  年轻有为
  从耶鲁大学毕业后,不到22岁的盖尔曼在麻省理工学院获得博士学位,随后被“原子弹之父”奥本海默带到爱因斯坦时代的普林斯顿高等研究所做博士后,期间曾在费米领导的芝加哥大学物理系授课并被提升为副教授。1955年盖尔曼在博士后研究结束后由于“奇异数”的发现曾有机会去芝加哥大学任教,“可惜费米前一年死了”,也曾想去丹麦的波尔研究所,“可惜他们没有博士后制度而只让我做教师或学生”,所以最好的选择是去加州理工学院,“那里有费曼”。就这样,盖尔曼不到26岁就成为加州理工学院最年轻的终身教授。
  获诺贝尔奖
  从盖尔曼的奇异数发现到获得诺贝尔物理学奖,他的历程可以用渐入佳境来形容:24岁发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数,28岁建立了正确描述弱相互作用的V-A理论,32岁提出了强子分类的八正法(相当于介子和重子的门捷列夫周期表),35岁创立了夸克模型(quark),40岁荣获诺贝尔物理学奖。这些重大理论突破中的每一项也曾由别人独立地提出过,但只有盖尔曼一人对所有发现都有原创性的贡献。其中夸克模型(预言中子、质子这类亚原子粒子是由更基本的单元——夸克组成的。“夸克”是构成宇宙中几乎一切物质的亚微粒子)是与G.茨威格各自独立提出的。“夸克”这一名字是盖尔曼所取,来自他少年时读过的詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的苏醒》(Finnegan\'sWake)中的诗句。
  研究成果
  奇异数守恒定律
  纵观粒子物理学的百年发展史,可谓群星璀璨,英才辈出。默里·盖尔曼就是其中极富传奇色彩的人物之一,曾经主宰粒子物理的走向长达十余年。他深邃的洞察力与旺盛的创造力使同时代的许多物理学家黯然失色。他对基本粒子物理学的重要贡献极大地加深了人类对微观世界的了解。
  默里·盖尔曼
  默里·盖尔曼
  盖尔曼作为一位理论物理学家第一次单独开展研究的是:怎样解释不按物理学家预料的方式运动的某些怪异的宇宙射线。50年代前,质量处于质子和电子间的介子不断被发现,再后来又发现了超子。这些奇异粒子的奇异性表现在:产生的快,消失得慢,有些介子的寿命比当时得到公认的理论所预言要长得多;并且成对出现。盖尔曼下工夫理出头绪来,他把奇异粒子按电荷、同位旋进行整理,发现通常费米子的同位旋为1/2,如核子具有二重态:中子和质子。而同为费米子的超子Σ的同位旋是1,呈现三重态,而不是双重态,并且可带正电、负电,或者不带电。这样的同位旋值对费米子而言是奇异的,这正是问题的关键所在。同样对第二种奇异粒子,即中等质量的K介子,是兀介子的同类粒子。但是K介子也不像其他的正常的玻色子一样呈三重态,而是双重态,同位旋是1/2。因此,盖尔曼认为应再给予粒子一个新量子数称之为奇异数。不同的粒子具有不同的奇异数,例如,0,土1,土2,……。他还提出奇异数守恒定律,这个定律是说在描述强相互作用或电磁相互作用时,方程两侧总的奇异数必须守恒。奇异数守恒定律为后来1955年盖尔曼提出的协同产生理论提供了重要的理论基础。所谓的协同产生理论认为,由强力产生的奇异粒子只能同时成对地产生。当这些成对的粒子离开它的对手时,通过强相互作用衰变所需的能量就会超过原先产生它们所投入的能量,因此只好经弱相互作用衰变,从而获得了更长的寿命,于是这一模型理论对长寿命作出了解释。奇异数在弱相互作用衰变时不守恒。
  SU(3)对称性
  1961年盖尔曼在奇异数守恒定律的基础上,又提出了SU(3)对称性。对强相互作用的粒子进一步作出分类。效仿佛教的“八正道”(即“正见、正思维、正语、正业、正命、正精进、正念、正定”),1962年盖尔曼和以色列物理学家内曼(Y.Neemann)独立地提出了“八正法”的分类方法。他们假设,八个质量最小的重子;两个核子、三个Σ超子、两个E超子及一个∧超子,构成一个“超多重态”。这八个重子,自旋都是1/2,宇称均为正值,质量相近。只是电荷不同、同位旋不同、奇异数不同。因此可以画一个超荷Y和同位旋分量I3的坐标图,二重态、三重态和单态可以排成一个整齐的六边形列阵。
  盖尔曼打算用八正方法把所有新的粒子和新的量子数都综合进来。按照这一方法,还可以把当时已知的九个重子共振态排列成对称的图形。从这张图形的对称性考虑,似乎缺少了一个粒子,这个粒子的特性可以从图形的对称性推出。1962年盖尔曼在欧洲核予研究中心的会议上提出这个失踪的粒子应该具有电荷为一1,奇异数为一3,质量为1680兆电子伏,自旋为3/2,字称为正值。1964年果然发现了Ω粒子正是这个失踪的粒子。(如图2),这样就对盖尔曼的八正方法作出了有力的支持。
  强子的夸克模型
  1964年盖尔曼进一步提出了强子的夸克模型。SU(3)对称性的八重态似乎暗示由更基础的三重态构成。他认为质子之类的粒子是由更基本的夸克组成。夸克与所有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷,例如:+2/3或一1/3。夸克都是两两成对、或三三成群,永远不可能单独地被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子。这就是著名的夸克模型。胶子就相当于夸克间相互作用的量子。它们的作用和电磁相互作用中的光量子一样。盖尔曼提出有三种夸克:两种同位旋为1/2,另一种同位旋为0。在同位旋为1/2的两种中,同位旋向上的,称为上夸克;同位旋向下的
  主要理论
  主要理论
  ,称为下夸克;同位旋为零的则称为奇异夸克。奇异夸克带有奇异数。夸克理论后来因实验事实的补充而不断发展。1974年丁肇中和垦克特(BRichter)发现J/ψ粒子。原有的夸克理论已无法解释新的实验事实,因此有人引入了第四种夸克——粲夸克。粲夸克带有新的量子数——粲数。1977年发现了重轻子,1978年又发现了γ粒子,促使人们相信还存在第五种夸克和第六种夸克。第五种夸克称为底夸克。第六种夸克称为顶夸克。每种夸克都有红、绿、蓝三色。
  盖尔曼一直是粒子物理学的开路先锋。1969年他获得诺贝尔物理学奖,他在诺贝尔奖颁奖庆典上致词说:“对于我,研究那些法则是与对表现千差万别的自然界的热爱不可分的。自然科学基本法则的美,正如粒子和宇宙的研究所揭示的,在我看来,是与跳到纯净的瑞典湖泊中的野鸭的柔软性相关的……”正是出于对大自然的这种热爱引领他去发现微观世界的秩序。研究世界的复杂性。
  创立圣菲研究所
  在获得诺贝尔奖约15年后。他掉转了方向,发起创建了圣菲研究所,成了世界研究复杂性理论的中心之一。盖尔曼因自己对简单世界的洞察力而闻名,八正法完美的规律性产生了所有不同质量的粒子,粒子又进而形成原子核、原子和分子。正是由这些完美的物质基元——夸克和轻子,构成了高度复杂而个性独立的世界。美籍华裔作家施加彰(ArthurSze)送他一本新出版的诗集中有两句诗打动了默里:“夸克世界中,万事都与一只在夜间徘徊的美洲豹有关。”诗句似乎完善地表达了简单性如何导致复杂性的奥秘,以及精确的物理定律如何产生有意识的生物。盖尔曼给他一本揭示复杂性的新书起名《夸克与美洲豹》,1994年出版后大受欢迎。
  人物评价
  盖尔曼在撰文说明宇宙线粒子行为似乎违反了物理学定律时,援引了弗兰西斯·培根的名言:“没有任何极致之美,在其结构中不会呈现任何奇异性”。美国作家乔治·约翰逊为盖尔曼写的科学传记的主标题是StrangeBeauty,中译者译为《奇异之美》,当然十分贴切。盖尔曼人生也是充满奇异性。他给其理论起了一些古怪的名字,如“奇异数”、“八正法”、“夸克”、“小牛肉和野鸡”等。信手拈来,皆有典故,且妙趣横生他的性格可谓古怪奇异,特立独行,甚至近乎疯狂。他总是与费曼一争高低(费曼获得过1965年诺贝尔奖),竞争加州理工学院物理系“最聪明的人”。他作客日本讲学,不顾客人的礼貌,毫不客气地讽刺日本同事“教条主义态度”“完全不可理喻”。他兴趣广泛,博学多才,能讲六七种语言;对鸟类分类学的知识让专家自愧弗如。他到处奔走,极力宣传保护野生动物,保护生态,保护自然和文化的多样性,保护环境,防止盲目发展。
  夸克之父——默里·盖尔曼,是粒子物理学中的奇异之星。他的科学人生让我们感受到基本粒子世界呈现出的一种出乎意料之外的“奇异之美”,以及发现这种奇异之美的激动人心的过程。

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