“20世紀見證了物理學(xué)無與倫比的進步。如果說，前半葉由相對論和量子力學(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)。”科普圖書《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)家中國的，在“2021量子科技系列報告”第二講上物理學(xué)家中國的，中國科學(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》的主題報告。她基于中、日、俄及中文檔案等史籍，以20世紀50-60年代粒子化學(xué)的國際和國外發(fā)展為背景，介紹中國物理學(xué)家在上個世紀60年代中期探求強子結(jié)構(gòu)，提出層子模型的過程以及層子模型的主要研究成果、后續(xù)發(fā)展、國際評價及影響。
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)覺后，物理學(xué)家又提出中微子和Pi介子假說。這一時期她們一般利用宇宙線或則低能加速器舉辦實驗。1932年，物理學(xué)家借助宇宙線發(fā)覺第一個反粒子。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)原子彈和雷達發(fā)揮的重要作用，使得她們在戰(zhàn)爭結(jié)束重回科學(xué)研究中獲得充沛經(jīng)費。
自20世紀50年代起，歐美各國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，這個加速器目前的能量早已達到14個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子對撞機上發(fā)覺的。這些加速器的建造打開了人工制造新粒子房門。”劉金巖坦言，到了20世紀60年代，隨著實驗上發(fā)覺一系列新粒子，物理學(xué)家對于這種新粒子很棘手，粒子物理當時處于一個“進退兩難”的境況。
劉金巖稱，隨著新粒子的大量發(fā)覺，粒子物理學(xué)家迫切需要對上百種粒子進行分類，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”方案可以有效對基本粒子分類，此外還有1964年由蓋爾曼和茲威格分別獨立提出的夸克模型或艾斯模型，認為基本粒子由攜帶分數(shù)電荷的夸克或艾斯構(gòu)成。不過，當時的實驗物理學(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：唯物辯證法下的層子模型建立
物理學(xué)在中國的發(fā)展得益于一批留學(xué)歐美物理學(xué)家回國后的促進。20世紀20年代出國留學(xué)學(xué)數(shù)學(xué)的代表人物有吳有訓(xùn)、葉企孫、嚴濟慈、周培源和王守競。他們分別在X射線散射、普朗克常數(shù)測定、光譜學(xué)、相對論、量子力學(xué)和熱力學(xué)統(tǒng)計等物理學(xué)各分支有所建樹。劉金巖非常提及，這些人致力于推進現(xiàn)代物理學(xué)在中國的發(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)院和研究機構(gòu)設(shè)置現(xiàn)代物理學(xué)課程并培養(yǎng)人才。中國粒子物理學(xué)理論研究起步較晚，主要借助20世紀30—40年代留學(xué)法國或英國的張宗燧、馬仕俊、彭桓武、胡寧和朱洪元歸國后的促進。
1956年，我國制訂“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)科重點發(fā)展的方向之一。同時，“自然科學(xué)中若干重要的基本理論問題”被納入規(guī)劃中的第56項問題。1957年，李政道和楊振寧獲得諾獎，激勵一批年輕人選擇粒子物理專業(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》。毛澤東多次贊揚布吉在科學(xué)研究中注意辯證唯物主義，且其堅持的物質(zhì)無限可分思想與福永在科學(xué)研究中堅持的原則形成共鳴。“坂田昌一的基本粒子可分觀點導(dǎo)致毛澤東的注意，這與他希望中國早日研發(fā)原子彈以及關(guān)心物理學(xué)中的哲學(xué)問題有關(guān)。還與當時正在中國進行的有關(guān)‘一分為二’和‘合二為一’的大討論有關(guān)。”劉金巖介紹說。
這件事也影響了中國粒子物理學(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，中國物理學(xué)家要為此次大會做學(xué)術(shù)打算。他們充分利用這種機會，來自中國科學(xué)院原子能研究所、中國科學(xué)院數(shù)學(xué)研究所、北京大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研人員組成了大的研究組，后來這一研究組被稱為“北京基本粒子組”。事實上，這些機構(gòu)的科研人員在20世紀50年代初、60年代末就保持了良好的交流合作機制。
自1965年9月起，北京基本粒子組經(jīng)過幾個月的工作，提出強子的結(jié)構(gòu)模型。層子模型是強子結(jié)構(gòu)研究的一個重要開拓。劉金巖解釋稱，“層子的命名是在1966年上海暑假化學(xué)討論會舉行前，由原子能所的冼鼎昌向時任原子能所主任的錢三強建議的，這也符合毛澤東的物質(zhì)無限可分思想，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，盡管未取得預(yù)期的國際影響，但為中國粒子化學(xué)后來在理論和實驗上取得的重要成果奠定了人才基礎(chǔ)。
（注：對層子模型具體數(shù)學(xué)內(nèi)容感興趣的讀者可參見：.logy，，:85-122〔2018〕）