基本粒子的神秘“味道”

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基本粒子的神秘“味道”
1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙（Joseph John Thomson）在阴极射线实验中发现了电子，这是人类探测到的第一个现代意义上的基本粒子。之后历时一百余年，科学家们费尽周折，终于勾勒出比较完整的组成物质世界以及传递相互作用力的基本粒子族谱，它包含六个夸克、六个轻子、传递电磁力的光子、传递强核力的胶子、传递弱核力的带电和中性玻色子以及与基本粒子质量起源有关的希格斯（Higgs）玻色子。迄今为止只有希格斯粒子还没有被探测到，但是正在欧洲核子研究中心（CERN）运行的大型强子对撞机（LHC）有望在2012年发现这个神秘的“上帝粒子”。

作为物质最基本组分的夸克和轻子在粒子物理学中被赋予了“味道”（flavor）的含义。这一形象的概念是由美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和德国物理学家哈罗德·弗里奇（Harald Fritzsch）在1971年突发奇想而引入物理学的。当时他们二人正在美国加州一家名叫巴斯肯·罗宾斯（Baskin-Robbins）的冰淇淋店闲谈，发现冰淇淋不仅色彩斑澜而且有巧克力、草莓等不同的口味。于是他们决定用“味道”来区分不同的夸克和轻子，质量小的粒子叫做“轻味”（light flavor），质量大的粒子叫做“重味”（heavy flavor）。如今味物理学已经成为基本粒子物理学的主要分支之一，它所关注的基本问题包括夸克和轻子的质量起源、不同粒子之间的相互转化以及物质与反物质的不对称性。

聪明绝顶的盖尔曼其实是个为科学概念起名的大师。除了“味道”之外，诸如“夸克”、“胶子”以及“色”量子数等生动有趣的粒子物理学名词都出自他的奇思妙想。这既反映了盖尔曼的原创才华和巨大学术影响力，也反映了他本人和其他科学家们那种与生俱来的幽默和诙谐的个性。一个特别生动的例子是英国理论物理学家约翰·埃利斯（John Ellis）在和别人打赌输了之后，不得不把“企鹅”这个与基本粒子毫无关系的名词引入物理学来描述夸克的味道改变过程。

1977年夏天，正在欧洲核子研究中心从事理论物理学研究的埃利斯遇到了如今身为哈佛大学物理系主任的女实验物理学家梅利莎·弗兰克林（Melissa Franklin）。当时弗兰克林还是个年轻学生，有一天晚上她约埃利斯和另一位朋友到 一家小酒馆玩飞镖，并打了一个难度很大的赌：假如埃利斯输掉了投飞镖的游戏，他就必须在下一篇学术论文中使用“企鹅”一词。后来弗兰克林本人提前离开了小酒馆，但她的那位朋友却赢了埃利斯。遵守承诺的埃利斯不得不绞尽脑汁，思考如何把笨重可爱的企鹅与自己的基本粒子理论研究课题自然而然地联系起来。最终他发现了一个让人服气的办法：将描述两种电荷相同、味道不同的夸克之间相互转化的费曼图（Feynman diagram）画成企鹅的形状，并把它称作“企鹅图”。埃利斯及其合作者的这篇论文很快就正式发表了，它不仅成就了“企鹅图”一词在味物理学中的广泛应用，而且成为研究味混合与CP对称性破坏的经典文献。

科学家们在探索未知的道路上不可避免地要经历很多寂寞和失败的考验。在这种情况下，拥有宝贵的幽默感至关重要，因为它既是一种健康的生活态度，也是激发创造力的心灵源泉。

邢志忠（本文已正式发表在《科学世界》2012年第五期：http://www.kxsj.com/）