量子论历史中概念的发展(3/3)
(第3/3页)我们不得不勉强地承认，它们必须有一半径，因为它们的电磁质量应当是有限的。这类对象应有半径之类的性质这样的想法，我们是不喜欢的；但至少它们看来似乎像球一样完全对称，所以我们还算高兴。然而以后发现了电子自旋，使这个图象大大改变了。电子并不对称。它有一根轴，并且这结果突出地指出，恐怕这种粒子具有更多的性质，它们并不是简单的，不像我们原先所想的那样基本。1928年狄拉克发展了电子的相对论理论并发现了正电子，情况又完全改变了。一个新观念不可能在一开始时就十分清楚的。狄拉克起初想，他理论中的负能量空穴可以等同于质子；但后来很明显，它们应当具有与电子相同的质量，最后在实验中发现了它们，并称之为正电子。我觉得这个反物质的发现恐怕是本世纪物理学中所有巨大跃进中的最大的跃进。这是一个无比重要的发现，因为它把我们关于物质的整个图景改变了。在我这次谈话的最后部分里，我想对此作较详尽的说明。
开始狄拉克提出：这种粒子可能在成对产生过程中产生出来。一个光量子，能把真空中的一个虚电子从一些负能态中的一个提到较高的正能量，这就意味着，光量子产生了一对电子和正电子。但这立刻意味着，粒子数不再是个好量子数了，没有关于粒子数的守恒律了。例如，按照狄拉克的新观念，我们可以说氢原子不一定要由质子和电子构成。它也可暂时由一个质子，两个电子，一个正电子构成。实际上，在考虑到量子电动力学的更精细的细节时，这些可能性确实起一些作用。
在辐射与电子相互作用的场合中，成对产生这种现象是会出现的。但这样就可很自然地假设，类似过程可能在远为广泛的物理领域中出现。1932年时我们已知道，原子核里没有电子，原子核是由质子和中子构成的。但后来泡利提出：β衰变也许可以这样来描述，就是说一个电子与一个中微子在β衰变中产生了出来。后来费米在他的产衰变理论中表述了这种可能性。由此可见，早在那时候粒子数守恒律就已完全被抛弃了。我们知道，在有些过程中，粒子是从能量产生出来的。当然，这种过程的可能性，在狭义相对论中已经给出：能量在转化为物质，但它的实在性却是联系到狄拉克关于反物质和成对产生的发现而首次出现的。
β衰变的理论，是费米在1934年发表的。不多几年后，连系着宇宙辐射我们提出一个问题：“如果两个基本粒子以很高能量相碰，将发生什么？”自然的回答是，没有什么良好理由可以认为，在这样的过程中不应当产生许多粒子。所以，实际上，在狄拉克的发现之后，高能碰撞中粒子多重产生的假设是十分自然的。十五年后，当人们研究极高能量的现象并能够在大加速器中观察到这些过程时，才对这个假设作了实验验证。但是，如果我们知道，在极高能量的碰撞中，任何数目的粒子都可能产生，唯一条件是初始的对称性与最终的对称性相同，那么我们还得假定，任何粒子实际上是一个复杂的复合体系，因为在某种程度的真实性上我们可以说，任何粒子实际上是由任何数目的其它粒子所构成。当然，我们还得承认，把一个
π介子看作仅由核子和反核子所构成大概是合理的近似，我们无须考虑更高级的结构了。但那只是个近似，如果我们一定要讲得严谨的话，那么我们应当说，对任一π介子，我们有几个粒子甚至任意多个粒子的多种组态，只要总的对称性与
π介子的对称性一样就行了。所以狄拉克的发现的最惊人结果之一是：基本粒子的旧概念完全崩溃了。基本粒子不再是基本的了。它实际上是一个复合体系，说得更确切些是个复杂的多体体系，它所具有的复杂性完全不下于分子或任何其他这类物体真正具有的复杂性。
狄拉克理论还有另一个重要结果。在旧理论中，我们说的是在非相对论性量子论中，基态是一个极简单的态。它就是真空，空的世界，没有任何别的东西，所以它有最高可能的对称性。狄拉克理论中的基态就不同了。它是一个充满着看不到的负能粒子的客体。除此以外，如果引入了正反粒子对产生的过程，我们就可以预期，基态必须包含几乎无穷多个虚正电子、电子对或虚粒子反粒子对；因此马上可以看出，基态是个复杂的动力学体系。它是基本自然定律所确定的本征解之一。如果基态按这种方式解释，我们可以进一步看到，在基本自然定律群中，它不需要是对称的。事实上，电动力学最自然的解释看来是：在同位旋群里，基本自然定律是完全不变的，而基态却不然。因而在同位旋空间里的旋转中基态是简并的假设，按照哥耳德斯通的一个定理，要求远程力或静止质量为0的粒子的存在。库伦相互作用和光子或许也应当以这种方式来解释。
最后，狄拉克根据他的空穴理论在1941年的贝克讲座里阐述了一种思想：在相互作用的相对论场理论中，应当使用不定度规的希耳伯特空间。究竟通常的量子理论的这种推广是否真正必要，这仍是个有争执的问题。但在近数十年内经过许多讨论后，我们已不能怀疑，不定度规的理论确可以前后一贯地建立起来，并可导致合理的物理诠释。
所以在这一点上最后的结果看来是，狄拉克的电子理论改变了原子物理的全部面貌。放弃了基本粒子的旧概念以后，曾经被称为基本粒子的那些客体现在必须看成是复杂的复合体系，总有一天可从基本自然定律把它们计算出来，正如复杂分子的定态可以从量子力学或波动力学计算出来一样。我们已经知道，当取基本粒子的形式时，能量变成物质。那些叫做基本粒子的态，与原子分子的态一样复杂。或者把这似非实是地表述为：每个粒子由其他一切粒子构成。所以我们不能期望，基本粒子物理学会比量子化学简单。这是一个重要之点，因为即使现在，还有很多物理学家盼望有那么一天，我们会发现一种非常简单的方法去描述基本粒子物理，好像当年的氢光谱那样。这个我想是不可能的。
在结论中，关于什么叫做“偏见”我想再说几句。可以说，我们相信有基本粒子是一种偏见。但我又觉得那将是太消极的说法。因为在近二百年内，我们在原子物理中使用的语言，都是直接间接地以基本粒子的概念为基础的。我们经常问：“这物体由什么构成？较小粒子在较大物体中的几何或力学组态怎样？”实际上我们总是回到了德谟克利特的哲学；但我想现在我们已从狄拉克那里懂得了：这是个错误的问题。要避开已成为我们语言一部分的那些问题，仍是很困难的。所以很自然地，即便现在，许多实验物理学家，甚至还有一些理论物理学家，仍在寻找真正的基本粒子。例如，他们希望夸克能够担任这种角色，假如它存在的话。
我想这是个错误。其所以错误，因为即使夸克存在，也不能说质子是由三个夸克构成。我们必须说，它可能暂时由三个夸克构成，也可能由四个夸克一个反夸克，或五个夸克两个反夸克构成，等等。而所有这些组态都应包含在质子中；而一个夸克又可以由两个夸克一个反夸克所组成如此等等。因此我们无法回避这种基本的状况；但既然我们仍有从旧观念来的问题，避开它们是极端困难的。许许多多的物理学家在寻找夸克，并且将来大概还要找下去。以往十年内，有很强的偏见偏爱夸克，我以为假如它们真存在的话，应当已被发现了。但这是一件要由实验物理学家来决定的事。
还留有这样一个问题：应当用什么去代替基本粒子的概念呢？我想我们应当用基本对称性的概念来代替这个概念。基本对称性规定了决定基本粒子谱的基础定律。现在我不预备详细讨论这些对称性。仔细分析了观察的结果以后，我想作出论断：除洛伦兹群外，还有SU2，标度定律，以及分立变换P，C，T，都是真正的对称性。但我不想把SU3或这类高阶对称包括到基本对称性里去，它们可由体系动力学产生而作为近似对称性。
但这又是一件要由实验决定的事。我只想说，我们必须寻找的不是基本粒子，而是基本对称性。当我们确实作出了这个决定性的概念变化（这是由狄拉克发现反物质而来的）以后，我认为就不需要什么进一步的突破去理解基本（毋宁说是非基本）粒子了。我们只须学会用基本对称性这个新的、不幸是很抽象的概念去进行工作；但这可能是够糟糕的了。
[侯德彭译自《美国物理学期刊》（American Journalof Physics）1975年 5月号]
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