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2019诺奖-物理：夸克理论家荣获2019物理学诺奖

2019/10/08

导读

2019年诺贝尔物理学奖获得者：詹姆斯·比约肯（James Daniel Bjorken）、斯蒂芬·路易斯·阿德勒（Stephen Louis Adler）、罗曼·弗拉基米尔·贾基夫（Roman Wladimir Jackiw）（从左到右） 2019年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家：詹姆斯·比约肯（James Daniel Bjorken）、斯蒂芬·路易斯·阿德勒（Stephen Louis Adler）以及罗曼·弗拉基米尔·贾基夫（Roman Wladimir Jackiw）一位德国科学家哈...

2019年诺贝尔物理学奖获得者：詹姆斯·比约肯（James Daniel Bjorken）、斯蒂芬·路易斯·阿德勒（Stephen Louis Adler）、罗曼·弗拉基米尔·贾基夫（Roman Wladimir Jackiw）（从左到右）

撰文 | 施郁（复旦大学物理学教授）

2019年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家：詹姆斯·比约肯（James Daniel Bjorken）、斯蒂芬·路易斯·阿德勒（Stephen Louis Adler）以及罗曼·弗拉基米尔·贾基夫（Roman Wladimir Jackiw）一位德国科学家哈拉尔德·弗里兹希（Harald Fritzsch），获奖理由如下：

夸克为物质基本组成部分

对于确认夸克为物质基本组成部分，以及它们是如何结合成物质，今年的获奖工作起到了重要的历史作用。1963年，美国著名物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）提出夸克模型，同时茨威格（George Zweig）也独立提出类似模型，但是最初并不清楚夸克是真实的物理存在还只是数学工具。盖尔曼的 “夸克” 一词来自鸟叫，拼法来自詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根的守灵夜》中的一句 “给麦克来三个夸克”。

比约肯、阿德勒和贾基夫的获奖成果当时都是在流代数理论框架里取得的。流代数理论是盖尔曼（Murray Gell-Mann）1962年提出，通过各种 “流” 的对称性，研究夸克的性质。当时介子理论（用介子作为传递核子之间相互作用的媒介）失败，而量子色动力学还没有提出，量子场论处于低潮。所以盖尔曼提出流代数方法，在不清楚基本相互作用规律的情况下，仍然取得很大成绩。

詹姆斯·比约肯

詹姆斯·比约肯，美国理论物理学家，斯坦福直线加速器中心（SLAC）名誉教授，生于1934年6月22日。比约肯在1956年获得麻省理工学院的物理学学士学位，三年后获得斯坦福大学的博士学位。1962年起在 SLAC 任职。1979年至1989年，他任费米实验室理论部副主任，之后回到斯坦福。2004年，比约肯获得国际理论物理中心（ICTP）的狄拉克奖。2015年，他获得沃尔夫物理学奖和欧洲物理学会（EPS）的高能与粒子物理学奖。

1968年，比约肯预言了电子-核子非弹性碰撞中的标度行为。核子是指质子或中子。标度行为是说，决定碰撞概率分布的结构函数取决于能量和动量之比，而非绝对的能量。比约肯的预言一年后被斯坦福直线加速器（SLAC）的实验证实。不久，费曼在此标度行为基础上，提出核子由点状的部分子组成 [2]。后来，部分子被认为是夸克和胶子的高能近似。因此比约肯的工作对于确认为核子由夸克组成起了很大的历史作用。做出实验的三位实验物理学家 Jerome L. Friedman，Henry W. Kendall 和 Richard E. Taylor 已经获得1990年诺贝尔物理学奖。现在我们知道，核子和介子均由夸克和胶子组成。

比约肯还曾和格拉肖（Sheldon Glashow）于1964年提出粲夸克。比约肯与德雷尔（Sidney Drell）合写的《 Relativistic quantum mechanics（相对论量子力学）》和《 Relativisticquantum fields（相对论量子场）》曾经在很长时间内是标准教科书。

斯蒂芬·路易斯·阿德勒

比约肯关于标度行为的预言是在阿德勒的求和规则基础上做出的。阿德勒求和规则是说，正反中微子和核子散射的结构函数之差是一个常数。

斯蒂芬·路易斯·阿德勒（Stephen Louis Adler），美国理论物理学家，目前是新泽西州普林斯顿高级研究所自然科学学院的名誉教授。

阿德勒1939年11月30日出生于纽约市。1961年，阿德勒在哈佛大学获得文学士学位。1964年，他获得普林斯顿大学博士学位。1966年，阿德勒成为普林斯顿高等研究院的成员。1969年，他成为该研究院的理论物理学教授。1979年他成为该研究院的 “新泽西州阿尔伯特·爱因斯坦教授”。1974年，阿德勒当选为美国艺术和科学学院院士。1988年，阿德勒获得美国物理学会的 J.J. Sakurai 奖。1998年，阿德勒获得国际理论物理中心的狄拉克奖。阿德勒的父亲是犹太裔作家欧文·阿德勒（Irving Adler），妹妹是插画家佩吉·阿德勒（Peggy Adler）。

除了之前介绍的阿德勒求和规则，阿德勒此前还有一个关于π介子与核子散射的求和规则（Weisberger 也独立发现）。阿德勒还阐明了手征反常，意思是，经典上因为违反守恒律而不能发生的过程，因为量子效应而可以发生。在阿德勒之前，贝尔（John Bell）和贾基夫（Roman Wladimir Jackiw）首先发现了手征反常，所以被称为阿德勒-贝尔-贾基夫反常。当时集中讨论的过程是π介子衰变为两个光子。这后来给了夸克的色理论有力支持。

罗曼·拉基米尔·贾基夫

贾基夫，美国理论物理学家，生于1939年11月8日。1939年，他出生于波兰卢比利尼奇的乌克兰家庭，随后和家人移居奥地利和德国，约10岁时定居在纽约。他从斯沃斯莫尔学院（Swarthmore College）获得了本科学位。1966年，贾基夫在康奈尔大学获得博士学位。导师是汉斯·贝特（Hans Bethe）和肯尼斯·威尔逊（Kenneth Wilson）的指导下。这两位导师都是诺贝尔奖获得者。贝特也是2016年诺贝尔奖得主索利斯的导师，威尔逊是盖尔曼的学生。1969年起，贾基夫一直在麻省理工学院理论物理中心任教。1995年，贾基夫获得美国物理学会的海因曼（Heinman）奖。1998年，贾基夫与阿德勒同时获得国际理论物理中心的狄拉克（Dirac）奖章。贾基夫的夫人皮瑞英是美籍韩裔理论物理学家，波士顿大学物理学教授，儿子斯特凡·贾基夫（Stefan Jackiw）是小提琴演奏家。

除了反常理论，贾基夫在拓扑孤子（Jackiw-Rebbi 模型）、有限温度量子场论等方面的工作对于粒子物理和凝聚态物理也是重要的。

哈拉尔德·弗里兹希

弗里兹希，德国理论物理学家，1943年2月10日出生于德国茨维考。1961年，弗里兹希在茨维考完成学业后，成为德国民主共和国（东德）国民军的士兵。从1963年到1968年，他在莱比锡学习物理。他从保加利亚游泳偷渡黑海，经土耳其逃到西德。他偷渡黑海时，还携带了一本量子场论教科书。然后他在慕尼黑继续学业，在 Heinrich Mitter 的指导下于1971年获得博士学位。

2019年诺贝尔物理学奖获得者：哈拉尔德·弗里兹希

1970年，弗里兹希在阿斯彭物理中心（the Aspen Center of Physics）开始了与盖尔曼的合作。1971年，弗里兹希获得博士学位后，在瑞士的欧洲核研究组织（CERN）继续与盖尔曼合作。1972年，弗里兹希跟随盖尔曼去了加州理工学院。后来弗里兹希曾在 CERN、伍珀塔尔大学和伯尔尼大学短期工作，于1980年成为慕尼黑大学的教授。

1971年，在流代数、深度非弹性散射、标度等理论和实验进展的基础上，盖尔曼和弗里兹希提出夸克具有 “色” 自由度，解决了夸克统计的困难。他们还与巴丁（William A. Bardeen，诺奖得主巴丁之子）以此解释了π介子衰变为两个光子的衰减率。1972年，盖尔曼和弗里兹希将杨（振宁）-米尔斯理论（即非阿贝尔规范理论）用于色，提出色的规范对称性，以胶子作为规范场，传递夸克之间的强相互作用（胶子之间也有相互作用）。次年，盖尔曼将此理论称作量子色动力学，他们和路特威勒（H.Leutwyler）的一篇三人文章给出了更多细节。量子色动力学要求夸克只能禁闭在核子或者介子内部，而不能单独自由存在。后来，格罗斯（David Gross）、维尔切克（Frank Wilczek）师生以及普利策（David Politzer）证明了杨-米尔斯场确实有这个所谓 “渐近自由” 的性质，以此获得2004年诺贝尔物理学奖。特胡夫特（t‘hooft）稍早得到过初步结果。量子色动力学成为粒子物理标准模型的一部分。

盖尔曼今年5月去世。我当时在一篇文章里写道： “由于诺贝尔奖一般不会授予已经得过诺奖的人，盖尔曼的去世或许增加了弗里兹希与他人分享诺奖的可能性。”1969年，盖尔曼因为对基本粒子及其相互作用的分类而获得诺贝尔物理学奖。