“20世紀(jì)見(jiàn)證了物理學(xué)無(wú)與倫比的進(jìn)步。如果說(shuō)，前半葉由相對(duì)論和量子力學(xué)所主導(dǎo)，那么毋庸置疑，后半葉的名星就是粒子物理學(xué)。”科普?qǐng)D書(shū)《神奇的粒子世界》中，這樣描述粒子數(shù)學(xué)的地位。
7月6日物理學(xué)家中國(guó)的，在“2021量子科技系列報(bào)告”第二講上物理學(xué)家中國(guó)的，中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員劉金巖作《探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)——層子模型建立歷史》的主題報(bào)告。她基于中、日、俄及中文檔案等史籍，以20世紀(jì)50-60年代粒子化學(xué)的國(guó)際和國(guó)外發(fā)展為背景，介紹中國(guó)物理學(xué)家在上個(gè)世紀(jì)60年代中期探求強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，提出層子模型的過(guò)程以及層子模型的主要研究成果、后續(xù)發(fā)展、國(guó)際評(píng)價(jià)及影響。
粒子化學(xué)的誕生：“脫胎”于核化學(xué)
繼電子、中子和質(zhì)子等粒子發(fā)覺(jué)后，物理學(xué)家又提出中微子和Pi介子假說(shuō)。這一時(shí)期她們一般利用宇宙線或則低能加速器舉辦實(shí)驗(yàn)。1932年，物理學(xué)家借助宇宙線發(fā)覺(jué)第一個(gè)反粒子。1939年，物理學(xué)家在伯克利建造了60英尺高回旋加速器。
另一方面，由于物理學(xué)家在第二次世界大戰(zhàn)中研發(fā)原子彈和雷達(dá)發(fā)揮的重要作用，使得她們?cè)趹?zhàn)爭(zhēng)結(jié)束重回科學(xué)研究中獲得充沛經(jīng)費(fèi)。
自20世紀(jì)50年代起，歐美各國(guó)紛紛興建高能加速器，包括直線加速器和回旋加速器。其中比較有代表性的是50年代初復(fù)工建造的歐洲核子中心，這個(gè)加速器目前的能量早已達(dá)到14個(gè)TeV，是世界上能量最高的加速器。
在數(shù)學(xué)界，一般獲取粒子的方式是通過(guò)加速器，讓粒子以極高的能量互相碰撞，從而將粒子“打碎”，直到在我們現(xiàn)有的條件下不能再“碎”了，那就是目前我們已知的最小粒子。
“我們曉得的上帝粒子就是在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上發(fā)覺(jué)的。這些加速器的建造打開(kāi)了人工制造新粒子房門(mén)。”劉金巖坦言，到了20世紀(jì)60年代，隨著實(shí)驗(yàn)上發(fā)覺(jué)一系列新粒子，物理學(xué)家對(duì)于這種新粒子很棘手，粒子物理當(dāng)時(shí)處于一個(gè)“進(jìn)退兩難”的境況。
劉金巖稱(chēng)，隨著新粒子的大量發(fā)覺(jué)，粒子物理學(xué)家迫切需要對(duì)上百種粒子進(jìn)行分類(lèi)，找出它們之間內(nèi)在聯(lián)系及其癥結(jié)，提出新的概念和理論模型。比較知名的是坂田昌一在1955年提出的布吉模型，他覺(jué)得物質(zhì)的基本組元是質(zhì)子、中子和Λ粒子。此后提出的“八重法”方案可以有效對(duì)基本粒子分類(lèi)，此外還有1964年由蓋爾曼和茲威格分別獨(dú)立提出的夸克模型或艾斯模型，認(rèn)為基本粒子由攜帶分?jǐn)?shù)電荷的夸克或艾斯構(gòu)成。不過(guò)，當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家都不歡迎夸克這一概念。
粒子化學(xué)在中國(guó)：唯物辯證法下的層子模型建立
物理學(xué)在中國(guó)的發(fā)展得益于一批留學(xué)歐美物理學(xué)家回國(guó)后的促進(jìn)。20世紀(jì)20年代出國(guó)留學(xué)學(xué)數(shù)學(xué)的代表人物有吳有訓(xùn)、葉企孫、嚴(yán)濟(jì)慈、周培源和王守競(jìng)。他們分別在X射線散射、普朗克常數(shù)測(cè)定、光譜學(xué)、相對(duì)論、量子力學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)等物理學(xué)各分支有所建樹(shù)。劉金巖非常提及，這些人致力于推進(jìn)現(xiàn)代物理學(xué)在中國(guó)的發(fā)展，在中央大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)，北平研究院等學(xué)院和研究機(jī)構(gòu)設(shè)置現(xiàn)代物理學(xué)課程并培養(yǎng)人才。中國(guó)粒子物理學(xué)理論研究起步較晚，主要借助20世紀(jì)30—40年代留學(xué)法國(guó)或英國(guó)的張宗燧、馬仕俊、彭桓武、胡寧和朱洪元?dú)w國(guó)后的促進(jìn)。
1956年，我國(guó)制訂“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”，其中原子核與基本粒子物理學(xué)研究是數(shù)學(xué)學(xué)科重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。同時(shí)，“自然科學(xué)中若干重要的基本理論問(wèn)題”被納入規(guī)劃中的第56項(xiàng)問(wèn)題。1957年，李政道和楊振寧獲得諾獎(jiǎng)，激勵(lì)一批年輕人選擇粒子物理專(zhuān)業(yè)。此外，參與蘇聯(lián)聯(lián)合原子核研究所的工作也為新中國(guó)培養(yǎng)了一批粒子數(shù)學(xué)人才。
1963年，毛澤東愈發(fā)關(guān)注刊載在《自然辯證法研究通訊》雜志上一篇由英文轉(zhuǎn)譯的坂田昌一文章。這篇文章的題目為《基本粒子的新概念》。毛澤東多次贊揚(yáng)布吉在科學(xué)研究中注意辯證唯物主義，且其堅(jiān)持的物質(zhì)無(wú)限可分思想與福永在科學(xué)研究中堅(jiān)持的原則形成共鳴。“坂田昌一的基本粒子可分觀點(diǎn)導(dǎo)致毛澤東的注意，這與他希望中國(guó)早日研發(fā)原子彈以及關(guān)心物理學(xué)中的哲學(xué)問(wèn)題有關(guān)。還與當(dāng)時(shí)正在中國(guó)進(jìn)行的有關(guān)‘一分為二’和‘合二為一’的大討論有關(guān)。”劉金巖介紹說(shuō)。
這件事也影響了中國(guó)粒子物理學(xué)家的研究方向。此外，1966年正式在廣州舉行暑假化學(xué)討論會(huì)，中國(guó)物理學(xué)家要為此次大會(huì)做學(xué)術(shù)打算。他們充分利用這種機(jī)會(huì)，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院原子能研究所、中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員組成了大的研究組，后來(lái)這一研究組被稱(chēng)為“北京基本粒子組”。事實(shí)上，這些機(jī)構(gòu)的科研人員在20世紀(jì)50年代初、60年代末就保持了良好的交流合作機(jī)制。
自1965年9月起，北京基本粒子組經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的工作，提出強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)模型。層子模型是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要開(kāi)拓。劉金巖解釋稱(chēng)，“層子的命名是在1966年上海暑假化學(xué)討論會(huì)舉行前，由原子能所的冼鼎昌向時(shí)任原子能所主任的錢(qián)三強(qiáng)建議的，這也符合毛澤東的物質(zhì)無(wú)限可分思想，即基本粒子有結(jié)構(gòu)，由層子組成，層子又是由更深一層的層子構(gòu)成。”
中國(guó)物理學(xué)家提出層子模型迎合了粒子物理學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，盡管未取得預(yù)期的國(guó)際影響，但為中國(guó)粒子化學(xué)后來(lái)在理論和實(shí)驗(yàn)上取得的重要成果奠定了人才基礎(chǔ)。
（注：對(duì)層子模型具體數(shù)學(xué)內(nèi)容感興趣的讀者可參見(jiàn)：.logy，，:85-122〔2018〕）