发现夸克、洞悉宇宙的人

默里·格尔曼在粒子物理学方面取得了非凡的成就。他也因为和费曼的争吵而出名，他也错过了和爱因斯坦讨论的机会。

毫无疑问，夸克——构成质子、中子和世界上一切的基本粒子——有一个奇怪而迷人的名字。发现夸克的物理学家默里·格尔曼对这个词的热爱不亚于对物理学的热爱。众所周知，当别人念他的姓时，他会纠正别人的发音，他还以愿意说出新的事物和想法而闻名。其中，夸克是他最著名的发现。“夸克”这个词是格尔曼从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵》中派生出来的。这个高度科学的术语结合了智慧、娱乐和粗鲁，就像它的创造者一样。

格尔曼年轻时就对语言着迷了。那时，他幻想语言学、自然历史和考古学能帮助他理解世界的多样性。他上小学时跳了三年级，所以他很小就上了大学。在耶鲁大学和麻省理工学院学习之后，21岁的格曼开始了他在普林斯顿高等研究院的博士后工作。那时爱因斯坦经常在校园里散步。之后，他去了芝加哥大学和费米一起工作。后来，当他在加州理工学院的时候，他和著名的物理学家费曼发生了激烈的争论。

正是在那里，盖尔曼为我们理解物质的基本组成奠定了基础。他用八种方法写下了亚原子物理学的蓝图。那时，物理学家知道质子和中子形成原子，但他们也发现了许多其他神秘的粒子。八重方法使人们能够重新发现粒子物理学中不可理解的世界，并为他们甚至没有想到的粒子找到一个位置。这项工作如此重要，以致于格尔曼获得了1969年诺贝尔奖。

1984年，格尔曼在圣达菲研究所开始了他在其他领域的研究工作，在那里科学家被鼓励从事跨学科研究。该研究所位于新墨西哥州沙漠中的一座高山上，周围是白杨和裸露的木槿石，在那里，鸟类学家可以在午餐时与政治学科学家讨论数据，并在窗户上用记号笔写下统计方程式，因为没有纸或笔。圣达菲看起来像是科学家的天堂，因为它的空间设计、色彩鲜艳的墙壁、蜿蜒的人行道和厨房里大量的糖果。

问:众所周知，你发现了构成我们宇宙的基本粒子——夸克。然而，你的许多同事仍然不相信夸克。这是为什么？

你不能直接看到夸克。它们也有一些不寻常的特性，这就是为什么人们一开始很难相信它们。许多人不相信，许多人认为我疯了。夸克总是局限于中子和质子。你不能把它们分开进行研究。因此，在这方面，它们确实有点特别。

问:一个普通人应该如何想象夸克？束缚在原子中的球？

答:在经典物理学中，你可以把夸克看作点。在量子力学中，夸克不再是一个点，它们有很大的“弹性”。有时它像一个点，但有时它分散，有时它甚至像一个波。

问:当粒子在对撞机中相互碰撞时，会是什么样子？他们不像台球一样碰撞吗？

答:这取决于物理条件。在能量非常高的情况下，两个碰撞的粒子之间不会反弹，相反，它们的碰撞会产生大量的粒子。你会看到大量的粒子向四面八方飞去，这可能更接近现实。

问:这就像是苹果和生产香蕉的橙子之间的碰撞吗？

不，不，不。你会得到各种各样的东西，小苹果，小橘子，香蕉，反香蕉，葡萄...

问:有多少基本粒子？

答:我们的标准模型是基于大约60种粒子，但可能更多。目前，我们可以探测到能量较低的粒子。

问:20世纪60年代和70年代是粒子物理学的全盛时期。发现了许多亚原子粒子——不仅仅是基本粒子。你能谈谈是什么让你发现了夸克吗？

对我来说，这很有戏剧性。我花了几年时间研究参与强相互作用的粒子的性质。正是这种强烈的相互作用将原子核中的粒子结合在一起。强相互作用粒子包括最常见的中子和质子。但是当质子在粒子加速器中碰撞时，会发现数十或数百个其他粒子。对我们来说，这意味着中子和质子有很多很多的能级。

问:这些粒子非常类似于质子和中子，但通常在自然界中并不存在，对吗？

答:它们是由加速器中的粒子碰撞产生的。它们会在很短的时间内腐烂。在很短的时间内，它们会变成别的东西。我预测ω超子会衰变为中性π介子和ξ超子，然后中性π介子会衰变为光子，ξ超子会衰变为负π介子和λ超子。然后，λ超子衰变为负π介子和质子。太阳内部的温度非常高，但即使如此也不足以产生这些粒子。

问:这些特殊粒子在物理实验之外还存在吗？

答:大爆炸后不久，当温度极高时，它们仍然存在于宇宙射线中。宇宙射线主要是质子，但它们会撞击地球大气中的原子核，从而产生这些稀有粒子。

问:但是当你在1964年预测夸克时，你意识到它不仅仅是另一个普通的粒子，是吗？

甲:是的。看看已知的粒子和实验数据，很明显中子和质子是由三种带部分电荷的粒子组成的，我称之为夸克。在那之前，所有已知粒子的电荷都是质子的整数倍。夸克总是局限于中子和质子，所以你不能把它们拿出来单独研究。所以中子和质子不再是基本粒子。相信推理并不是一件困难的事情，因为没有人听说过中子、质子和分数电荷的组成，也没有人听说过被限制在一些无法直接探测到的可观察粒子中的粒子。

问:随着时间的推移，物理学家发现了越来越多的粒子。粒子的数量会是无限的吗？

答:所有理论物理学家都喜欢“简单”。“简单性”一直是基础物理学中可靠的指南。但是对于命名粒子的数量，这个似乎不起作用。这可能是由于一个简单的表达理论。这些粒子的数量可能会继续增长，但我们只能在实验中检测到那些低能粒子。

问:科学家现在希望在大型强子对撞机实验中找到其他预测粒子。你认为这会为我们澄清一些事情吗？

这里还有一种可能性，那就是发现了一些意想不到的现象。如果他们发现一些全新的、无法解释的东西，会让我们失望，让我们非常兴奋。

问:当你还是个孩子的时候，你被认为是数学天才，但数学不是你唯一的兴趣，是吗？

我记得我五岁的时候就开始读我父亲的书了。他有一个非常大的图书馆。在大萧条时期，当我们不得不搬到更小的公寓时，他不得不放弃它们。他花了五美元把他的图书馆搬走了。这很可悲。但是他留下了大约50本书。其中之一是关于英语单词的希腊语和拉丁语起源。所以我明白了希腊语和拉丁语是如何在英语中构成一些单词的。这非常令人兴奋。这开启了我对词源学的兴趣。

我一直擅长数学。我喜欢数学，喜欢学习和使用它。我也喜欢历史，尤其是考古学和语言学。我经常和我哥哥谈论考古学和词源学。虽然他从未从事过相关工作，但他很聪明，知道很多。他对鸟类和动物也很感兴趣。鸟类学中没有很多科学原理，但是只有鸟类的种类、鸣叫声和起源在看到它们之后才能被识别出来。和他一起观鸟是当时最有趣的事情。我三岁时，我哥哥教我读书。

问:当你在大学时，你的兴趣是考古学、自然历史和语言学。但是你父亲想让你成为一名工程师来赚钱。

我说过我宁愿贫穷也不愿意死，因为我不擅长做工程师。如果我设计任何东西，肯定会有问题。我去耶鲁的时候，参加了一次能力测试。当测试顾问给我测试结果时，他说，“除了工程师，你还可以做很多其他的事情。”

问:你后来是怎么选择物理的？

答:在我父亲放弃让我成为工程师的想法后，他说，“让我们妥协吧。你学物理怎么样？广义相对论，量子力学，你会喜欢的。”我想我可以试试我父亲的建议。我不知道为什么。我从未听过他的建议。他告诉我，如果我深入其中，物理学会会有多美。这个美丽吸引了我。我父亲喜欢物理。他是爱因斯坦的崇拜者。他会把自己锁在房间里学习广义相对论，尽管他从未真正理解它。在我看来，你必须先鄙视它，然后才能掌握它。

问:为什么会这样？

如果你太崇拜它，你会害怕它，所以你不会从中学习。我父亲认为广义相对论非常困难，需要几年才能理解，而且世界上只有少数人真正理解它，等等。但是当我在耶鲁的时候，我有一个好老师，亨利·玛格诺，他的态度正好相反。他相信只要他学习数学，每个人都能理解相对论。他说:“我们在周二和周四准备数学，我们可以在周日和下周二学习广义相对论。”他是对的，而且效果还不错。

问:你认识历史上最伟大的物理学家吗？你心目中谁的地位最高？

答:我不会盲目崇拜别人，尤其是物理学家。费曼很优秀(他因对粒子物理学的贡献而获得1965年诺贝尔奖)，但没有他想象的那么好。他太以自我为中心，在轶事上花费太多精力。费米也非常杰出(他开发了第一个核反应堆)，但他也有他的局限性和错误。在我的理论物理领域，我还没有见过没有限制的人。

问:那时候，你认为你周围的人特别吗？

没有。他们大多数我都认识。我不认识薛定谔，出于某种原因，我错过了认识他的机会。但是我和海森堡的关系很好。他也是量子力学的发现者之一。但是当我见到他时，虽然他不是很老，但多少有点古怪。

问:有多奇怪？

有时他不知道该说什么。他会称一些理论为无稽之谈。他的目标是找到一个能包含所有粒子和力的统一理论。他在思考一个等式，但这个等式没有实际意义。它根本不起作用，没有解决办法。但是泡利是一个有趣的人，他不会碰像海森堡那样身体疯狂的东西。他同意参与海森堡的计划。

但是后来泡利来到了美国，不同的人和他一起工作，包括费曼和我。许多人告诉泡利，“听着，你不应该卷入这件事。这完全是胡说八道。你必须考虑你的声誉。”泡利同意了，并写信给海森堡，粗略地说，“我辞职了，这没有意义。”在另一封信中，泡利画了一个长方形，然后写道:“这是为了证明我可以像提香一样描述世界，但唯一缺少的是技术细节。保利。”换句话说，海森堡提供了一个画框，但没有画出来。保利和我彼此非常了解。我也认识狄拉克，他是一个非常奇怪的人。

当然，我认识这些人是在他们老的时候，而不是在他们年轻的时候，他们取得了最重要的成就。然而，我确实认识这些人们崇拜的人。我认为它们并不特别。但是现在回想起来，那确实是一个激动人心的时刻。

然而，我的老师维克多·维斯科普夫指出，这里有很大的不同。这些是量子力学的创始人，他们在1924年和1925年开始意识到原子和分子是如何真正工作的。他们还会问一些普通人可能会问的简单问题。例如，维克多曾经说过，问题之一是为什么我的一个手指不能穿过另一个。最后，这演变成不相容原理(两个粒子不能同时占据空间中的相同位置)等等。然而，现在你必须小心地提问。

问:你和费曼在加州理工学院的故事非常有名。那是什么？

答:33年来，我们的办公室一直挨着。当我第一次来到加州理工学院时，我对费曼非常非常热情。他也被我吸引了，但我觉得他有点极端。和他一起工作我得到了很多快乐。他非常有趣和聪明。

问:你们两个之间有什么不同？

我们总是争吵。当我们过去很友好的时候，我们会争论。后来，我对他不太感兴趣，我们也吵了起来。当时，他做了一些非常好的工作——但并不困难。理解质子和中子的结构非常重要。在那部著作中，他提到了夸克、反夸克和胶子，但他没有那样称呼它们。他称他们为“部分儿童”。这个词来自拉丁语和希腊语，这很愚蠢。他说他不在乎它们是什么，所以他为它们造了这个词。但他们是夸克、反夸克和胶子，他本可以这么说。后来，人们真正意识到他们是夸克，所以他们有了后来的“夸克-部分子”模型。我们最终建立了一个理论——不仅仅是我，而是每个人合作的结果。我们已经建立了量子色动力学，这是我提出的一个词。量子色动力学描述了夸克和胶子之间的相互作用，这种相互作用将夸克结合在一起。但是费曼不相信。

问:他不相信这个理论是正确的吗？

甲:是的。基于他的一些想法，他有其他的理论。几年后，他终于放弃了，因为他很聪明，意识到我们是对的。但是他坚持说，我不明白他为什么要这样做。一些...

问:费曼以他的怪癖而闻名。你们以前在一起的时候有过怪异的行为吗？

我们确实做了很多有趣的事情。他的一个朋友是一位年长的美国画家。我死去的妻子玛格丽特和我与他关系很好。为了庆祝他的生日，玛格丽特和我想送给他一只孔雀。所以我们和费曼夫妇合作。他们首先把他的注意力吸引到别处，然后玛格丽特和我把孔雀放在他的卧室里。他的床上有一只孔雀！这绝对是一份令人难以置信的生日礼物。

问:你认为费曼这么出名有点奇怪吗？

费曼是一个特例，因为他是一个非常聪明、极端和成功的科学家，但同时他也是一个小丑。有时他更像一个小丑，而不是科学家。

问:但是你和费曼可以就物理进行非常深入的讨论。你们彼此很合得来，不是吗？

几年后，我开始厌倦他了。他总是太自我意识。一切都想证明他的聪明。因此，如果我们在讨论中得到一些有趣的结果，他的解释是，“你看，我还是很聪明。”这很烦人，所以几年后我不会和他一起工作了。

问:你认为费曼、爱因斯坦或其他传奇物理学家是天才吗？

答:爱因斯坦非常特别。他创立了广义相对论。即使在今天或34年前做这样的工作也是非常令人震惊的，也是非常非常杰出的成就。但他在1915年做到了，这太不可思议了。

问:当你在高级研究所的时候，爱因斯坦在那里。尽管那时他的生命即将结束，你从他身上学到了什么吗？

我本来可以的。我本可以和他的秘书约个时间见面。我本可以问他一些问题。如果是现在，我会马上做。但是我发现他不相信量子力学，也不理解我们研究的粒子。如果我给他看我的研究，他不会有任何反应。如果他告诉我他在做什么，我不会相信。所以我什么也没做。我会说，“嗨，早上好。”他会回答，“早上好。”(一半是英语，一半是德语。仅此而已。

问:你现在在做什么？

答:我们和来自世界各地的其他人一起，正在寻找另一种数学方法来描述熵，这将有利于描述不同的环境，如金融市场或社会互动。它最终可能会成为一个非常灵活的工具。这正是我们所希望的。当然，有些人认为这根本没用。