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【科學史上的今天】09/15——蓋爾曼誕辰(Murray Gell-Mann, 1929

「統治基本粒子領域 20 年的皇帝」、「夸克之父」、「活的百科全書」、「最具語言天才的物理學家」,這些稱譽都是形容一個人──美國的物理學家蓋爾曼。

曾經,物理學家以為他們終於搞清楚原子的內部結構了:電子圍繞著由質子和中子組成的原子核。宇宙所有物質就由這幾個基本粒子構成。不料當他們自 1930 年代開始利用宇宙射線研究粒子碰撞時,竟陸續發現還有新的粒子,更別提後來有加速器可用時,撞出的更多新粒子了!

這是怎麼一回事?!科學的進展一直是循著「簡單就是美」的原則,而今面對這十幾種不同的粒子,該如何解釋呢?事實上,別說解釋了,光是想要從中找出某種規律或模式,就讓物理學家傷透了腦筋!難怪費米要說:「如果我有辦法記住這些粒子的名字,那我應該去當植物學家。」就在大家焦頭爛額之際,套句廣告詞:好險有蓋爾曼。

蓋爾曼從小就是天才兒童。他 15 歲進耶魯大學,21 歲取得 MIT 博士學位,24 歲主張在自旋之外還有新的量子數──奇異數(引用自培根名言:「凡絕美之物,必帶著幾許奇異」),成功解釋某些粒子總是成對出現,而且發生衰變的時間遠比生成時間還久的奇特現象。27 歲他成為加州理工學院有史以來最年輕的正教授。

1961 年,蓋爾曼以數學中 SU(3) 對稱群的八維表示為基礎,將這些看似一團混亂的粒子一一擺到適當的位置,他將這個方法稱為「八重道」(取自佛家的「八正道」)。就像門得列夫制定元素週期表一樣,蓋爾曼不但為當時已發現的基本粒子找出模式,並且預測介子中的一個空格必定存在尚未發現的新粒子,幾個月後果然發現了這個 η 粒子。

模式找到了,但背後的基本解釋是什麼?蓋爾曼認為 8 這個數字絕對有其意義,經過計算後,他於 1964 年大膽主張質子與中子都不是基本粒子,而是由三個更小的夸克(出自喬伊斯《芬尼根守靈夜》中的海鳥叫聲)所組成。夸克模型優雅簡潔,即使後來又有更多新粒子出現,再據以擴充就可納入。蓋爾曼成了粒子標準模型的奠基者之一,而於 1969 年獲頒諾貝爾物理獎。

蓋爾曼的博學從他創造的那些皆有典故的名詞就可見一斑,他也不斷吸收新知,鼓勵年輕學者。70 年代,他把一群得不到支持的弦論學者聚集到加州理工學院;1984 年他藉由自己的聲望創立聖塔非研究院,作為一項全新的領域──複雜系統──的研究中心。從基本粒子這種化約論,到探索整體面貌的複雜理論,蓋爾曼真是少見擁有全面觀點與開闊心靈的科學家。

Photo Credit: Joi Ito License Source 

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