1964年2月1日
夸克之父
——盖尔曼

纵观粒子物理学发展的百年历史，可谓群星璀璨、英才辈出。群星之中，有一位充满传奇色彩的人物，这就是默里·盖尔曼（ 图1 ）。他24岁时，发现了“奇异量子数”，由此发现了强相互作用的特征，同时使弱相互作用的宇称不守恒与“ θ-τ 疑难”得到了解释；32岁时，他提出强子分裂的“八重法”，把高能物理实验中纷繁出现的介子和重子规整出一个惊人清晰的系列，不仅揭示了亚原子世界的结构蓝图，还为一些根本没有想到的粒子找到了位置，因而被人们称为高能物理时代的“门捷列夫元素周期表”；35岁时，他又有了惊人的发现，提出了质子和中子的“夸克模型”，代替原来的质子和中子，把自然世界的真正的“基本粒子”体系展现到世人面前，从此引发了高能物理的研究热潮，像放闸泄水那样，人们迅速地找到了以上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克为主的夸克家族；40岁时，盖尔曼的研究走向了顶峰。这一系列成果彻底改变了人们对微观世界的认识，这一年他获得了诺贝尔物理学奖。可以说，从年仅24岁时发现基本粒子的一个新量子数——奇异数起，这位天才的理论物理学家主宰粒子物理领域长达20年之久。

盖尔曼是一个天才，他那深邃的洞察力和惊人的创造力令许多同代人黯然失色。1977年诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森称，在“现今广泛的领域里，盖尔曼是拥有最深刻学问的人。”1976年，诺贝尔物理学奖获得者斯蒂文·温伯格则说，盖尔曼“从考古到仙人掌，从非洲约鲁巴人到发酵学，他样样懂得都比你多”。然而，作为盖尔曼本人，却从没有想过自己能研究物理，甚至没有想到与世界上最小的基本粒子“夸克”结上了缘。

1929年9月15日，盖尔曼生于纽约的曼哈顿，父亲是一位语言学家。在周围人心目里，这是一个名副其实的神童。3岁时，他能心算很大数的乘法；7岁时，在拼单词比赛中，他胜过了12岁的孩子；据说到了8岁，他的智力已经达到一般大学生的水平。盖尔曼家里有很多图书，好读书的小盖尔曼常钻到父亲的图书室里看书，甚至抢父亲的书读。在大萧条时期，他的家不得不搬到一所小房子里，大部分书籍被处理掉，父亲只留下了50本书，其中一本大大的厚书令盖尔曼最为痴迷，这是专门介绍英语、希腊语和拉丁语单词起源的书，他常常一头扎到这部书中，忘掉了周围的一切，这部书开启了盖尔曼一生对词源学的兴趣。除了最喜爱的语言学，他的兴趣也扩展到其他领域，知识涉猎之广，到了无不通晓的地步，同学们称他为“会走路的大百科全书”。

上小学的时候，学校所教内容已经让他“吃不饱了”，他连跳了三级。但是这个聪明的孩子却应付不了学校规定的研究课业，对写研究报告更不感兴趣，尽管他的学习成绩优异，老师们还是判断他在学习上存在某种缺陷。在当时美国经济不景气的情况下，父亲建议他学工程，而他自己则想学习语言。但是，经过学校正规的能力测试，盖尔曼被宣布，除了“工程学”以外，适于其他一切学科。于是父亲建议：为什么不折中一下，学习物理呢？没想到的是，父亲的这个“折中”，成就了未来“夸克”的提出者，也成就了一个1969年诺贝尔物理学奖的得主。

在大学和研究生阶段的学习期间，盖尔曼几乎转遍了美国所有的顶尖大学。14岁时，进入耶鲁大学；获得学士学位后，进入麻省理工学院，3年后获得博士学位；21岁时，又在普林斯顿高等研究所进行博士后的研究；之后进入芝加哥大学与著名物理学家费米一道工作；以后又转到了加州理工学院。不满26岁，盖尔曼成为加州理工学院历史上最年轻的理论物理学的终身教授。

盖尔曼很幸运，他生逢其时，在投身粒子物理学的时候，被称为近代物理学大发展的“白银时代”初露曙光。1952年，美国物理学家唐纳德·格莱赛发明的气泡室代替了落后的威尔逊云室，成为那一时期探测高能粒子的必备工具，到了20世纪60年代初，人们已经能探测到近百种未知粒子，为粒子物理的大发展奠定了坚实的基础（ 参见本书8月15日“1952年格莱塞和他的气泡室” ）。

盖尔曼设法应用已知的自然规律，确定这些新粒子的身份。他首先假定自然规律是简单的、对称的，并假定像自然界其他所有的相互作用那样，这些亚原子粒子之间的作用也保持守恒关系，即发生碰撞前后的质量、能量和电荷没有丢失。以此为基础，盖尔曼分析在高速电子轰击下质子的分裂反应。他进行了若干分类和简化的处理，并创造了一种称为“奇异性”的新测量方法，由此确定出每个参与反应粒子的量子态，并假定它们的奇异性在反应中都保存了下来。

然而，令盖尔曼没有想到的是，如此方式建立起的模式，无论是对质子或中子的分裂，还是对它们的合成，这些假定都是行不通的，也就是并不遵守守恒定律。一开始他百思不得其解，最后想到，唯一可能得到的解释是，参与反应的质子和中子并不像人们预想的那样，是一种基本粒子，它们一定还有自身的内在结构，例如可能是由3个更小的粒子构成，如果这个假定成立，碰撞反应的守恒定律就不成问题了。

经过了整整两年的努力，盖尔曼终于得出一种合理的理论解释，中子和质子内部存在着更小的粒子，他把这些小粒子叫做“夸克”。1963年，盖尔曼在他的著作《夸克与美洲豹》中，对“夸克”一词的起因给出了解释，这个名字来自于他所崇拜的爱尔兰著名诗人詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》中的诗句，在这首诗中，“夸克”代表海鸥的呼叫声。

1964年2月1日 ，盖尔曼在《物理通讯》杂志上把关于夸克的理论研究结果发表了出来。在这篇论文中，盖尔曼提出了强子的3种夸克的模型结构，他所创建的夸克理论，为后来重轻子、 γ 粒子的发现，以及第五种和第六种夸克的提出奠定了基础。与此同时，另一位美国理论物理学家，加州理工学院的乔治·茨威格（G. Zweig）也独立地提出了几乎相同的结果。

1969年，由于强子的夸克模型与量子奇异数的发现，盖尔曼获得诺贝尔物理学奖。1967年和1973年，利用斯坦福直线加速器，美国麻省理工学院的亨利·肯德尔和加拿大的理查德·泰勒在电子对质子和中子的深度碰撞中，证实了盖尔曼的理论，最终“夸克”得到了证实，由此盖尔曼被人们尊称为“夸克之父”。 图2 所示是2012年在世界经济论坛年会上年届83岁的盖尔曼。

在获得诺贝尔奖之后，盖尔曼再度做出惊人之举，他从粒子物理华丽转身，投入到了一个更大的研究领域。1984年，在他的动议之下，他与其他几位著名科学家和诺贝尔奖获得者联合创建了圣塔菲研究所。这是位于新墨西哥州圣塔菲市的一个非营利研究机构（ 图3 ）。它的宗旨野心勃勃，既要拥有大学的广博，又要保持洛斯阿拉莫斯国家实验室那种融合各学科的能力。它的目标更是宏大而深远，将目光对准了自然科学的“复杂性”。在当今的科学领域中，既是尖端又是疑难的课题都出自于事物的“复杂性”。“复杂性”研究兼跨多个领域，常处于物理、化学、生物、经济和计算机学科边缘，盖尔曼早就看中“三不管”地区的这片沃土。他认为，在这里最能找到活跃的课题，而找到了有价值的课题，就等于事情成功了一半（ 参见本书11月11日“1984年复杂学与圣塔菲研究所” ）。

有人把盖尔曼提倡的复杂性研究称作“大脑的温泉”。复杂学的研究使人们进入过去单一学科研究所从没有过的全新的历程，它需要一种全新的思路和方法，再加上这一研究需持开放、兼容、无边界的研究态度，无权威中心、无高墙阻隔、不看重资质而注重参与质量的生态环境，使圣塔菲研究所闻名世界。这一创意竟然出自于盖尔曼这样的已经功成名就的老一代物理学“霸主”式人物，就更是难能可贵了。

关键词： 莫里·盖尔曼，夸克，粒子物理，圣塔菲研究所，Murray Gell-mann，quark，partical physics，Santa Fe Institute

图1： http://www.nndb.com/people/310/000023241/

图2： http://hep.caltech.edu/gm/gm.php?p=photos.php

图3： https://www.google.ca/?gfe_rd=cr&ei=DrGjVYSGI4SN8Qf9mIGICg&gws_rd=ssl#q=santa+fe+institute f+uS7auoT62p+VNv5MyTT/V4k1KACXqsjWw0YxiD8by8UdLcEwhJqz9vusLmVVuU