默里·盖尔曼

美国物理学家、“夸克之父”

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929年-2019年) ,美国籍著名的理论物理学家, 基本粒子物理学重要奠基人,是“ 夸克模型 ”提出者、 诺贝尔物理学奖 。

盖尔曼于1929年9月15日出生于美国纽约城,1944年,15岁的盖尔曼被 耶鲁大学 物理学专业录取,并于19岁取得物理学 学士 。 1948年,在物理学教授维克托·韦斯科普夫的邀请下去了 麻省理工学院 物理研究生院,并于1951年博士毕业。 后来盖尔曼博士毕业后在 普林斯顿大学 担任了一年 博士后 研究员。次年,盖尔曼在伊利诺斯大学担任教授,并在此期间提出了盖尔曼-劳定理和 奇异数 守恒定律 。1954年至1955年期间,他担任 哥伦比亚 大学教授和 芝加哥大学 副教授,之后转到加州理工学院,直至1993年退休。 1958年,盖尔曼与 理查德·费曼 合作,并提出了 理论。 1961年,盖尔曼在 奇异数 守恒定律 的基础上,提出了 的对称性,次年,又提出“八重态”方法,并按照这一方法,又建立了九个重子 共振 态模型,并将得到的三个基本态参数命名为夸克。1964年,盖尔曼正式提出 夸克模型 ,它认为 质子 之类的粒子并不是 基本粒子 ,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有已知的 次原子粒子 不同,它们带有分数电荷。 1972年,盖尔曼与哈拉尔德·弗里奇引入了新的守恒 量子数 ,取名为“颜色荷”, 紧接着又同汉里奇·劳意特维勒提出了新术语“ 量子色动力学 ”,夸克理论成为量子色动力学的一个组成部分。 盖尔曼不仅是物理学家,还是一名环境专家,他在1993年从 加州理工学院 退休以后,成为圣菲研究院的创建人之一,并代表麦克阿瑟基金会担任过世界环境与资源委员会主席。 2019年5月24日,高能物理界巨人盖尔曼辞世,享年89岁。

盖尔曼一生获得过很多荣誉,如先后获得丹尼· 海涅曼数学物理奖 ,劳伦斯物理学奖, 富兰克林奖章 , 美国国家科学院 的卡蒂奖章以及 诺贝尔物理学奖 。其次盖尔曼也是一个富有有传奇色彩的人,有很多论著,其中在物理学中他的代表专著有《粒子物理学》,奠定现代物理学的一个重要里程碑的论文《重子和介子的一个简略模型》;其次,盖尔曼还是语言学家和环境专家,他与语言学家合著了《人类语言的进化》,并且还担任过世界环境与资源委员会主席。后世为了纪念盖尔曼,将圣塔菲研究所的新主楼以他的名字命名。

人物生平

早年经历

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)1929年9月15日出生于美国纽约城, 他的母亲叫泡琳·莱西施坦因(Pauline Reichstein),他的父亲阿瑟·伊斯多勒·盖尔曼(Arthur Isidore Gell-Mann)是 奥地利 移民,经营一家语言学校, 并且通晓数学, 天文学 , 考古学 ,因此对盖尔曼产生了一定影响。

幼年时期,盖尔曼便经历了1929年的美国经济大危机,在 经济萧条 和新移民锐减的情况之下,他的父亲停止了经营,随后整个家庭只能从格拉梅西公园的富人区搬到 布朗克斯动物园 附近的穷人区,直至盖尔曼8岁时才搬回繁华的 曼哈顿 。 盖尔曼天资聪慧,7岁便自学微积分,因此从小就有“会走的 百科全书 ”的称号。 1936年,盖尔曼在 哥伦比亚 语法预备学校读书,并且在十二年级时决定申请可以提供全额奖学金的 耶鲁大学 。然而,填申请表格的专业志愿时盖尔曼认为自己被耶鲁大学录取的可能性很低。

教育经历

1944年,15岁的盖尔曼如愿的被耶鲁大学物理学专业录取。 1948年,盖尔曼在耶鲁大学取得了物理学 学士 ,并计划在秋季进入该校物理研究生院。但是后来耶鲁大学录取盖尔曼的专业并非物理学,常春藤盟校 普林斯顿大学 申请也未通过,虽然被 哈佛大学 录取但是不提供奖学金,到最后在物理学教授维克托·韦斯科普夫(Victor Weisskopf)的邀请下去了 麻省理工 学院物理研究生院,并担任助教。

1951年,22岁的盖尔曼由于阅读课外读物而导致未能按时完成 博士论文 ,后来在维克托·韦斯科普夫教授的指导下完成了博士毕业论文《耦合力度与核相互作用》( 耦合 strength and nuclear reactions),并在麻省理工学院取得博士学位。

研究经历

早期职业生活

1951年,盖尔曼博士毕业后在 普林斯顿大学 高等研究院担任 博士后 研究员。次年,盖尔曼成为 芝加哥大学 核研究所(后来改名为 恩里科·费米 研究所)的讲师,盖尔曼深为以费米为中心所形成的学术气氛的激励。1952年至1953年,盖尔曼在伊利诺斯大学担任教授,并在此期间与弗朗西斯·尤金·洛(Francis Eugene Low)合作提出了盖尔曼-劳定理,这是 量子场论 中的重要定理,它说明了有相互作用的多体系统的基态与相应的无相互作用多体系统之间的关系,并提出了 奇异数 守恒定律 。 1954年,25岁的盖尔曼成为了芝加哥大学副教授,同时也担任了 哥伦比亚大学 的教授。

第一职业——物理学家

1955年,盖尔曼在两年前提出的奇异数守恒定律的理论基础上又提出了协同产生理论,这一模型理论对长寿命作出了解释:奇异数在弱相互作用 衰变 时不守恒。盖尔曼用这一规则将 介子 、核子( 中子 和 质子 )和超子分类,并 预言 有一种所谓的克西零超子 存在,果然后来得到了实验的证明。 同年9月,盖尔曼接受了 加州理工学院 物理学副教授的位置。次年,盖尔曼升为教授, 并与 英国 考古学 学生J.玛格丽特·道(J.Margaret Dow)结婚,生育了一儿一女,尼古拉斯·韦伯斯特(Nicolas Webster)与伊丽莎白·莎拉(Elizabeth Sarah)。

1958年,盖尔曼与 理查德·费曼 (Richard Phillips Feynman)合作,并提出了 理论( 矢量 减轴理论),并发现了物理弱相互作用的普适形式。

1961年,盖尔曼在 奇异数 守恒定律 的基础上,又提出了 的对称性,并尝试把具有相同 自旋 和 宇称 对称性但奇异数不同的粒子放在一起作为同一粒子的超多重态。次年,盖尔曼提出“八重态”的分类方法,并按照这一方法,把当时已知的九个重子 共振 态排列成对称的图形。出于对对称性的考虑,将其中缺少的一个粒子命名为 ,并于三年后发现了这个失踪的粒子—— 粒子。

1962年,盖尔曼提出了电中性粒子“ 胶子 ”的存在可能性。 两年后,盖尔曼正式提出 夸克模型 ,它认为 质子 之类的粒子并不是 基本粒子 ,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有已知的 次原子粒子 不同,它们带有分数电荷,这就是著名的夸克模型。按照夸克模型,原来纷繁杂乱的粒子集合开始变得有序,夸克的不同组合构成了其上的数目繁多的重子和 介子 ,形成了粒子的“ 元素周期表 ”,这是现代物理学的一个重要里程碑,它非常简洁地阐述了夸克模型。

20世纪60年代,盖尔曼引入了现代 代数 ,将其作为一种在缺乏可靠 动力学 理论的情况下系统地利用对称性从 夸克模型 中提取预测的方法。该方法产生了经实验证实的与模型无关的求和规则,并为标准模型(SM)(广泛接受的基本粒子理论)的发展提供了基础。

1967年,盖尔曼成为了 加州理工学院 罗伯特·密立根 理论物理学教授,并长期在该院从事 粒子物理学 研究。1972年,盖尔曼与哈拉尔德·弗里奇( 德语 :Harald Fritzsch)引入了新的守恒 量子数 ,取名为“颜色荷”, 紧接着又同汉里奇·劳意特维勒(Heinrich Leutwyler)提出了新术语“ 量子色动力学 ”,夸克理论成为量子色动力学的一个组成部分。

20世纪80年代初,盖尔曼研究了 复杂系统 相关的“有效复杂度”,他认为任何事物都是规则性和 随机性 的组合。 1981年,他的妻子玛格丽特去世,从此留下他孤单一人。1992年,盖尔曼又娶了诗人兼 英语 教授的玛西娅·索斯威克(Marcia Southwick)

第二职业——环境专家

1993年,盖尔曼在 加州理工学院 退休以后,成为圣菲研究院的创建人之一。在这个研究院里,学者们对各种各样的问题(从 量子力学 到 世界人口 增长带来的结果)进行理论研究。盖尔-曼早年对动物和鸟类观察的兴趣使他对技术给环境带来的影响问题十分敏感。他曾代表麦克阿瑟基金会担任过世界环境与资源委员会主席,他因促进技术进步与环境保护之间的平衡而获得林德伯格奖。

晚年病逝

2019年5月24日,高能物理界巨人盖尔曼辞世,享年89岁。

主要成果

物理

理论概念

夸克模型

1964年,盖尔曼在坂田模型的基础上更进一步提出:所有 强子 ( 强相互作用 粒子的简称)都是由更基本的粒子组成。盖尔曼称该粒子为 夸克 ,这一称谓据说来源于乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》中的词,小说中“夸克”只是模仿一种海鸟的叫声,盖尔曼用它为粒子命名。

盖尔曼认为 质子 之类的粒子并不是 基本粒子 ,而是由更基本的夸克组成,夸克与所有有已知的 次原子粒子 不同,它们带有分数电荷,例如, 或 。夸克都是两两成对、或三三成群,永远不可能单独地被观涢到,它们之间的结合是靠交换 胶子 ,这就是著名的 夸克模型 。

盖尔曼还对 夸克模型 进行了分类, 上夸克 ( )、 下夸克 ( )和奇异夸克( )。他主张允许电荷为非整数值,以便构建更为简洁、完美的理论模型。具体一点就是上 夸克 带 个电荷,而下夸克和 奇夸克 所带电荷数分别为 和 。 质子 由两个上夸克加一个下夸克组成, 中子 的构成则为一个上夸克和两个下夸克。至于坂田模型的难题,他得出 介子 由一正一反两 夸克 组成、重子由 个夸克组成的结论,夸克的 重子数 为 。

量子色动力学 理论

盖尔曼提出了量子色动力学理论(QCD),这一理论阐明了夸克与反夸克之间通过“ 胶子 ”这种媒介粒子而相互作用。量子色动力学(QCD)在某些方面与 量子电动力学 类似,对于“强作用力”使 原子 粒子紧密结合在一起的作用过程,QCD最终给出了一个几乎完美的阐述。到1994年,盖尔曼写到:20世纪40年代以来观测到的核粒子碰撞“现在都可以用 夸克 、反夸克和胶子的合成来解释。夸克体系,在量子色动力学这一明确理论中得到了具体的表达,因而揭露出了隐藏在一个显然极其复杂情形下的简易性。

理论

1956年,盖尔曼发现 宇称不守恒定律 ,反映在中微子的 自旋 上就是左和右不对称(中微子只有左旋的,它的 反粒子 是右旋的),确定了 轻子 流必须写成满足宇称不守恒条件的形式,理论上称作 形式,而且 强子 流与轻子流形式完全相同。

奇异 量子数

1952年初,盖尔-曼开始研究 奇异粒子 问题,并试图用 质子 和 中子 的“ 同位旋 ”(也称“对称性”)概念来解释粒子奇异性。盖尔曼指出,在 强相互作用 过程中, 奇异数 是守恒的,所以奇异粒子具有协同产生的特点,而且它的 衰变 不能由强作用而只能由弱作用引起。

八重法理论

1961年,盖尔-曼利用 群论 数学提出了一个描述 次原子粒子 的新方法,盖尔曼指出,所有性质相似的强子属于一个族。八重法的目的是把一些多重态结合成所谓的趋多重态的粒子群。每一个趋多重态是由几个多重态组成的,这些多重态的 个 量子数 ( 重子数 , 核素 总 角动量 和宇称性)的值是相同的。群论指出,每个超多重态只可能由 、 、 或 个粒子构成的群来组成。盖尔-曼提出, 质子 和 中子 是一个八重态的一部分,即每个都有 单位的核素总角动量的八个重子群的一部分。

定理公式

盖尔曼一劳定理

说明了有相互作用的多体系统的 基态 与相应的无相互作用多体系统之间的关系,对于基态,右矢和左矢分别为 , 。

盖尔曼- 西岛 关系

对重子和介子族,盖尔曼和西岛(K.Nishijma)等人曾总结出一个有名的 实验式 ,称为盖尔曼--西岛关系,也叫盖尔曼一西岛法则。设 为 重子数 , 为 奇异数 , 为粲数, 为 同位旋 的第三分量,则电荷可以一般地表为: 。

盖尔曼-大久保公式

1962年,盖尔曼和 久保桃 (S.Okubo)由 群论 分析导出了强子 一多重态中质量分裂公式,称为盖尔曼一大久保公式,即: 。

数学

盖尔曼矩阵

量子色动力学 认为,在颜色空间的转动下, 夸克 场量 ,作为颜色空间的三行一列矩阵,其变化为: , , 是任意参数, 是 矩阵,依次为: , , , , , , , , , ,这些矩阵称为盖尔曼矩阵。

主要论著

主要著作

主要论文

社会职务

奖项与荣誉

人物关系

学术评价

人物事件

粒子物理传奇

默里·盖尔曼就是其中极富传奇色彩的人物之一,他是一位 粒子物理学 界的奇才和天才,做出了许多奠基性的工作,曾经主宰粒子物理的走向长达20年。盖尔曼一直是粒子物理学的开路先锋,他在24岁发现了 基本粒子 的新 量子数 奇异数 ;32岁提出了强子分类的八重法(相当于 介子 和重子的 德米特里·门捷列夫 周期表);35岁创立了 夸克模型 ;40岁荣获 诺贝尔物理学奖 。盖尔曼做出的杰出的科学成就,使他成为一名当之无愧的粒子物理学的权威人物。盖尔曼在奇异性、 重整化群 、 量子色动力学 等方面都有重大建树,他对基本粒子物理学的重要贡献极大地加深了人类对微观世界的了解,有人甚至认为他是 阿尔伯特·爱因斯坦 的继承人之一。

“交换律”想法

青年时期的盖尔曼认为去当时物理系并不强的 麻省理工学院 学物理是一个很掉身价的事情,因为没有更好的选择,他为此曾考虑过自杀。后来,他意识到自杀和去麻省理工读书这两件事情的先后顺序不满足 交换律 ,如果先自杀了就不能再去读书了,于是选择先去读书,等以后再决定还要不要自杀。这就是“去MIT读书与自杀不可交换顺序”(attending MIT and killing himself didn't commute)的典故。

奇异人生

盖尔曼在学术思想上也是一位标新立异之人,性格怪异、特立独行,对传统科学思想和研究 范式 做出种种“反叛”。做客 日本 讲学,不顾客人的礼貌,毫不客气地讽刺日本同事“教条主义态度”“完全不可理喻”,丝毫不讲情面,按照现在的说法可谓“情商超低”。他给自己的理论起了一些古怪的名字,如 奇异数 、八重法、 夸克 、小牛肉和 花母鸡 等。

博学多才

他是一个 百科全书 式的学者,通晓的学科极广,除数理类的学科外,对 考古学 、动物 分类学 、语言学等学科也非常精通,是20世纪后期学术界少见的通才,人们说他有“五个大脑”。他兴趣广泛,博学多才,能讲六七种语言。

性格缺陷

同样个性鲜明的他也有重大性格缺陷,例如他的特立独行会让人不舒服而不愿意与他打交道。盖尔曼以爱炫耀自己的博学和看不起应用研究而闻名,他甚至用英文谐音词称 固体物理学 为“肮脏状态物理学”。他也很轻视别人的贡献,不愿意提及别人的成绩,这让人感觉他的自大和狂妄。例如,在参加学术研讨会时就极其容易表现出傲慢的一面,如果他认为在他面前作报告的人所讲的东西不重要,他会公然拿出一份报纸然后埋头看报,表示自己的不屑。

后世纪念

1984年,盖尔曼与另外两位 诺贝尔奖 获得者安德森(Anderson)和 肯尼斯·阿罗 (Arrow)发起组建,建立了能吸引顶尖人才的新兴研究所,并将其命名为“圣达菲研究所”。 后来,为了纪念盖尔曼的贡献,圣塔菲研究所的新主楼以他的名字命名。

名言

参考资料

  1. Murray Gell-Mann /www.nndb.com 2024-04-23
  2. Murray Gell-Mann In Memoriam inference-review.com 2024-04-23
  3. The Regular and the Random 紀伊國屋書店 2024-05-25
  4. Something Incredibly Wonderful Happens press.uchicago.edu 2024-05-25
  5. Murray Gell-Mann.Ph.D achievement.org/achiever 2024-05-10
  6. Albert Einstein Medal www.einstein-bern.ch 2024-05-10
  7. Murray Gell-Mann www.amacad.org 2024-05-10
  8. APS Member History earch.amphilsoc.org 2024-05-10
  9. Press Release, 10–2014, from Berlin-Brandenburgische Akademie der Wissenschaften americanhumanist.org 2024-05-10
  10. Murray Gell-Mann – Biographical www.nobelprize.org 2024-05-10
  11. Murray Gell-Mann gave structure to the subatomic world web.archive.org 2024-05-10
  12. Conception to birth: A gleam in one scientist’s eye Santa Fe Institute 2024-05-25