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专论性、评论性文章
质子、中子里有些什么
沈建其
浙江近代物理中心及浙江大学物理系，杭州 310027
摘 要 本文以质子、中子结构研究为线索，描述了强子性质和相互作用动力学，对夸克模型和量子色动力学做了详细介绍。对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是强子世界的最基本组成部分。尽管如此，强子物理还存在一些悬而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等。
关键词 夸克 量子色动力学 夸克幽禁 质子衰变
一、 质子、中子不是点状粒子
对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现，这种探索从来没有停止过。在19 世纪，人们逐渐弄清楚物质是由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子，人们认识到原子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化。在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？
质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构。在30年代，理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。但出乎意料的是，实验家斯特恩测得的质子磁矩却为 个单位核磁子，中子磁矩也不是零，而是 个单位核磁子，与点粒子理论相悖。这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内部结构的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]。既然核子并不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒，象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状。具体属哪一种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。
深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使 介子离化出来的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质量。实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子，它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒子是什么呢？具有些什么性质？
二、 夸克模型
1964年，美国科学家盖尔曼提出了关于强子结构的夸克模型。强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都属于强子这一类。“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词 。夸克也是一种费米子，即有自旋 。因为质子中子的自旋为 ，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为 的质子、中子。两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如 介子、 子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带 或 电荷（ 为质子电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带 电荷，下夸克带 电荷。上、下夸克的质量略微不同。中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点。
虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，象 和 这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、 子、 子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学。
三、量子色动力学及其特点
“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的
。胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、自旋为1、传递相互作用的媒介粒子，都属于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比，不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克，于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。按群论的语言讲，电磁场是 规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是 规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）； 群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而 群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”[2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。
“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。
量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难。
“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来[7-9]；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现[10]；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸克之间有线性禁闭势存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁[11]。关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分。
四、 核子结构图象与核子衰变
对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零，而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致真空带上颜色）来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导致了夸克幽禁。
对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功，该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供[10]；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大，因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述。
上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子是不稳定的，寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些，因而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的一个下夸克（带 电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色子 ，自身变成上夸克（带 电荷）， 又衰变为一个电子和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1，轻子数为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1，所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型（量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重子，它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性 介子，重子数和轻子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论[13-17]，它企图把强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。大统一理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克结合成中性 介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱，所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束[16]。
前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为 ，是由三个夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。
五、 简短总结
虽然胶子的存在证据也有了，顶夸克存在的证据也在1995年找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长远的路。夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电极化所致，夸克幽禁是暂时的还是永久的，值得继续研究。如果夸克是永久性禁闭的，强子永远是无色的，正应了一句话：“色即空，空即色。”孰是孰非，有待高能物理及其理论的继续发展。
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17 杜东生.高能物理，1980；2：1
百 年 量 子
沈建其 李敬源
浙江大学物理系及浙江近代物理中心，杭州，310027
摘 要 本文回顾了具有一百年历史的量子力学。对于量子力学的创立、应用及其向纵深的发展作了叙述和讨论。
关键词 量子力学 量子场论 规范场论 真空
量 子 力 学 的 诞 生
量子力学和相对论是近代物理的两大支柱，两者都改变了人们对物质世界的根本认识，并对20世纪的科学技术、生产实践起了决定性的推动作用。相对论以相对时空观取代源于常识的绝对时空观，量子力学则以概率世界取代确定性世界。比起相对论来，量子力学对于变革传统观念也许具有更为深层次的意义。前者还保留了许多传统概念如力、轨道等概念，但后者却把这一切都抛弃了。1900—1926年是量子力学的酝酿时期，此时的量子力学是半经典半量子的学说，称为旧量子论，开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究[1]。黑体辐射是1900年经典物理（牛顿力学、麦克斯韦电动力学、热力学与统计物理）所无法解决的几个难题之一。旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难，与实验不符。普朗克于是提出“能量子”概念，认为黑体由大量振子组成，每个振子的能量是振子频率的整数倍，这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合。“能量子”是新的概念，它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的，这与经典物理完全不同，普朗克因此就这样吹响了新的物理征程的号角，这成为近代物理的开端之一。1905年，爱因斯坦把普朗克的“能量子”概念又向前推进了一步，认为辐射能量本来就是一份一份的，非独振子所致，每一份都有一个物质承担者——光量子，从而成功地解释了光电效应。爱因斯坦本人在几年后又比较成功地把量子论用到固体比热问题中去。1912年，丹麦青年玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型，成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式，从这以后掀起了研究量子论的热潮。1924年，法国贵族青年德布洛意根据光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论，推断认为一般实物粒子也应具有波动性，提出了物质波的概念，经爱因斯坦褒扬及实验验证，直接导致了1926年奥地利学者薛定谔发明了量子力学的波动方程。与此同时，受玻尔对应原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式不同的矩阵力学，也能成功地解释原子光谱问题。矩阵力学和波动力学统称量子力学，量子力学就这样正式诞生。
量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别。量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的，因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置，我们能知道的就是粒子在空间出现的几率。量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速度等概念，将不可对易代数引进了物理。量子力学还第一次把复数引入了进来。过去物理中引入复数只是一个为了方便的技巧，并无实质意义，但在量子力学中，虚数具有基本的物理意义，正如英国物理学家狄拉克在70年代所说的：“……这个复相位是极其重要的，因为它是所有干涉现象的根源，而它的物理意义是隐含难解的……，正是由于它隐藏得如此巧妙，人们才没有能更早地建立量子力学。”可见复数第一次在量子力学中产生了不可替代的物理意义。这个狄拉克在20年代后半期把当时薛定谔的非相对论性波动方程推广到相对论情形，第一次实现了量子力学和相对论的联姻。狄拉克所建立的方程是描述电子等一大类自旋为半整数的粒子的相对论性波动方程[2]。由于组成现实世界的物质是自旋都为 的电子、质子和中子，所以狄拉克方程显然特别重要。狄拉克方程能自然地预言电子的自旋为 ，解释氢原子的精细结构，又预言存在正电子。不久，安德森就找到了正电子。狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一。这个狄拉克还将电磁场量子化，从理论上证实了1905年爱因斯坦的光子学说的最重要观点——光是由光子组成的。
作为一个体系，量子力学的建立大致在20世纪20年代末完成，此后量子力学就被应用到实际问题中去了。
量 子 力 学 的 基 础 和 应 用
对于许多人来说，也许量子力学比相对论更为有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转化以及大尺度的时空结构，但对于20世纪人类的生产生活，原子层次的世界显得更为重要。30年代，量子力学用于固体物理，建立了凝聚态物理学，又用于分子物理，建立了量子化学。在此之上，材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展，为深刻影响20世纪人们生活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。在20世纪上半期，量子力学深入到微观世界，发展了原子核结构与动力学理论，提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型，研究了原子核的主要反应如 、 、 嬗变过程。在天体物理中，必须要用到量子力学。对于那些密度很大的天体，如白矮星、中子星，当核燃料耗尽时，恒星的引力将使它塌缩，高密度天体的的费米温度很高，比恒星实际温度高得多，白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力，此时量子力学效应对于星体的形成起了决定性的作用。对于黑洞，其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错，因此有些负能粒子将可能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子，飞向远方。黑洞的量子力学效应很有意义，值得研究[3]。
尽管量子力学取得了巨大成功，但是由于相对于牛顿力学而言，量子力学与常识的决裂更为彻底，因此对于量子力学的基础仍旧存在着许多争论，正如玻尔所说：“谁不为量子力学震惊，谁就不懂量子力学。”爱因斯坦和玻尔在20世纪上半期关于量子力学是否自恰与完备展开了大讨论，引发了一系列关于量子力学基础的工作，如隐变量理论、贝尔定理[4]、薛定谔猫态实验等，这些工作使得我们看到理解量子力学的艰难。
量子力学的应用，一方面让我们感觉到现实世界丰富多彩的离奇特性，另一方面反过来也促进我们对量子力学基础的理解。20世纪下半期，量子力学在基础和应用研究上又焕发出了青春。对超导本质、真空的卡西米尔效应、分数与整数量子霍尔效应、A-B效应和几何相因子、玻色—爱因斯坦凝聚和原子激光等的研究[4-5]，极大地丰富了人们对物理世界的认识，而对这些效应和技术的研究，必将对21世纪的科学进步产生深远意义的影响。
量 子 力 学 向 纵 深 发 展
量子力学是单粒子的运动理论，在高能情形下，粒子会产生、湮灭，涉及到多粒子，因而需把量子力学发展成为量子场论，第一个用于研究相互作用的量子场论是量子电动力学。量子电动力学研究电子与光子的量子碰撞，它是在三四十年代从研究氢原子的超精细结构—兰姆移动及电子反常磁矩的基础上建立起来的。由费曼等人发展起来的路径积分量子化方法是研究相互作用场量子化的得力工具，运用它，散射矩阵和反应截面的计算成为可能。
量子场论是个空框架，必须引入相互作用，才能描述相互作用粒子的产生和转化、研究其本质，这就是规范场论的任务。量子场论和规范场论是量子力学向纵深发展的结果。量子电动力学具有 群（一种可交换的内部对称群）的定域规范对称性。把带电粒子波函数的定域相位变化一下，同时电磁势作相应的变换，发现为了保持理论具有这种变换的不变性，必须引入带电粒子与电磁场（一种规范场）的耦合项。当时在微观世界，除了电磁力外，还有控制核子聚在一起的强力和控制原子核衰变的弱力，这些相互作用满足怎样的动力学方程，需要有一个第一性原理来解决。1954年，杨振宁和米尔斯把定域规范不变的理论推广到内部对称的不可交换群，引入非阿贝尔规范场[6-7]。杨-米尔斯的理论决定了相互作用的基本形式，成为理论物理中继相对论罗伦兹变换之后的最重要的变换形式。罗伦兹变换是时空变换，规范变换是内部空间变换，它们分别从外部和内部决定物质运动和相互作用的形式。六七十年代的工作，包括1964年发现真空对称性自发破缺使规范场得到质量的黑格斯机制，1967年法捷耶夫和波波夫用路径积分量子化方法首次得到正确的规范场量子化方案[8]，1971年特·胡夫特等人证明了规范场理论的可重整性，并提出了一种切实可计算的维数正规化方案，以上工作使得量子规范理论成为成熟的理论。在规范场论和粒子物理实验、基本粒子结构（三代轻子和三代夸克）研究的基础上，六七十年代还提出了特殊的规范场论——弱电统一理论和量子色动力学。由于在1979年找到了传递色（强）力作用的胶子存在的证据，在1984年发现了存在传递弱相互作用的中间玻色子 和 ，所以我们深信：描述弱相互作用和电磁相互作用的统一理论是 规范场模型，描述强相互作用的理论是 规范场模型。这两个模型统称标准模型。物理学家已在1995年找到了它们所预言的最重的夸克（顶夸克）的存在证据，所预言的最后一个基本粒子（ 子型中微子）也已在2000年找到。特·胡夫特等的工作也被授予1999年诺贝尔物理学奖。标准模型取得的一再成功使得它成为目前公认最好的关于物质结构、物质运动和相互作用的理论。
量子力学和量子场论使得人类对真空的性质也有了更为本质的看法。过去真空被认为是空无一物的，自从狄拉克提出真空是“负能粒子的海洋”之后，真空就被看作是粒子之源了。真空具有许多效应，如反映真空具有零点能量的卡西米尔效应、真空极化导致氢光谱兰姆移动（氢原子的超精细结构）、激态原子与零点真空作用导致原子自发辐射等。真空作为量子场的基态，具有普适的对称性。60年代，南部和歌德斯通发现量子场论真空会发生自发对称破缺，70年代玻利亚可夫等发现真空的拓扑结构。目前已能对真空可以进行局域性的操作，真空上升到研究相互作用主体的地位[5]。
总 结
具有整整一百年历史的量子力学对于20世纪的科学技术具有革命性的影响。正是因为其影响深远，所以在这世纪之交，其带给我们的悬而未决的谜也就更多更难。李政道认为20世纪末期存在如下的物理之迷：夸克幽禁、暗物质、对称破缺、真空性质等。此外，解决诸如质量起源、电荷本质、量子引力、基本粒子世代重复之迷等也必将引发新的物理学进展。为了探索物质世界的深刻本质，大统一理论、超对称、超引力、超弦理论等也在发展之中。它们或许就是新的革命的前奏。尽管不知道能否再发生象量子力学诞生那样的革命，但是未来的100年绝对是让物理学家忙碌的100年，而这些新概念、新理论、新技术对未来人类的观念和生活的巨大影响，恐还不能处于目前我们的掌控之中。
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QUANTUM MACHANICS OF ONE CENTURY
Jian Qi Shen Jing Yuan Li
Zhejiang Institute of Modern Physics and Physical Department
of Zhejiang University, Hangzhou, 310027
ABSTRACT This article briefly reviews one hundred –year history of Quantum Mechanics. Its establishment, application and deep development is remarked and discussed.
KEYWORDS Quantum Mechanics, Quantum Field Theory, Gauge Field Theory, Vacuum
纳米碳管储氢实验和理论研究综述
何少龙1,2 沈建其1,2 王新庆 1王淼1
1.浙江大学物理系 浙江杭州 310027 2。浙江近代物理中心 浙江杭州 310027
摘 要 本文简要回顾了储氢材料研究的发展情况，主要介绍了纳米碳管储氢的实验进展。作者对纳米碳管储氢的机理方面进行了初步探讨，针对单壁纳米碳管，提出了一种解理凝聚机制。
关键词 纳米碳管 储氢 解理凝聚机制
Experimental and Theoretical Progress of Hydrogen Storage
in Carbon Nanotubes
He Shaolong1,2 Shen Jianqi1,2 Wang Xinqing1 Wang Miao1
Abstract The development of investigation for materials of hydrogen storage is briefly reviewed ,mainly about the presently experimental advancement of carbone nanotubes (CNTs). In the aspect of theoretical study, a theory of decomposition and condensation mechanism (DCM) is proposed for the hydrogen storage of the single-walled carbone nanotubes (SWNT).
Keywords carbon nanotubes(CNTs) hydrogen storage
decomposition and condensation mechanism (DCM)
由于氢的使用高效、清洁，是一种理想能源，因而作为氢能汽车动力的H2/ O2燃料电池以及高能可充放电池等方面有着很好的应用前景。正因如此，其储存和输运特性已被广泛研究，其中如何经济、安全的储存氢气尤为重要。为了能满足实际的应用需要（研制以氢燃料电池为动力的汽车是当前氢能研究的直接目标），必须研究和发展能快速大量储氢的材料，对储氢材料的研究正是在这一背景迅速发展起来的。
最早发展起来的是金属或合金储氢材料。在金属合金储氢时，氢气首先需要原子化，即在金属合金表面解离为2H原子，以原子状态进入合金内部，形成金属氢化物。金属合金储氢在室温，低于2—4Mpa压强时即可进行，有利于各种应用。但是这些金属又重又贵，储氢密度小，不能满足氢能电动汽车的要求。在低温下，活性炭是一种很好的储氢材料，具有体积小、重量轻的特点。Schwarz[1]等人研究了-1500C、20atm下微小颗粒碳的吸氢性能，测得储氢量为0.05%（质量分数）。但苛刻的环境要求（液氮温度，20atm压强），也限制了它的应用。不仅如此，以上各种储氢系统的储氢量都不超过6%（质量分数），远小于汽油17.3%（质量分数）的水平。这使它们远远不能满足实用的的要求，必须寻求更高储量的储氢材料以满足实际的需要。
1991年，日本NEC公司的饭岛[2]（S.Iijima）首先发现了纳米碳管。纳米碳管一经发现便引起了极大的关注，许多国家都迅速开展了广泛的应用研究。纳米碳管特殊的结构使它极有可能作为一种良好的储氢材料。
Dillon[3]等人用1mg含0.1~0.2 % (质量分数)单壁纳米碳管的碳烟尘，并用20%（质量分数）左右的钴微粒进行催化, 在0℃下样品的储氢能力达5%（质量分数）。 Chambers[4]等人实验发现石墨纳米纤维在120atm、25℃每克可吸收氢气20L（STP）。当样品室的压强降至大气压时，储存的大部分氢气可以被释放出来。Chambers使用的石墨纳米纤维样品是通过催化分解法制备的。Chambers把石墨纳米纤维的良好储氢性能归结为石墨纳米纤维结构中的独特晶状排列（crystalline arrangement）。在这种结构中，石墨片层构造出了一种全由细小狭缝（slit-shape nanopores）组成的系统。这些微孔只在边缘各点处才是开放的。他们认为理想的储氢材料（固体）应该有狭长形的微孔结构，而且尺度应略大于氢分子运动直径（0.289nm）。石墨纳米纤维的细小狭缝结构，尺度在0.337nm左右，很好的符合了这一要求。在高压下，被吸收的氢被局域于这些细小狭缝中，氢分子和石墨片层以及其他的分子产生很强的相互作用，导致相变和毛细凝聚（capillary condensation）, 大大提高了样品的储氢能力。最后，他们推测石墨层中的自由π键电子很可能是系统储氢的主要因素。
在实际应用中，储氢材料必须能在室温，大气压强下大量、快速储氢。成会明等人[5]最近的实验成果也因而很有应用前景。他们用电弧放电制备的单壁纳米碳管（平均直径1.85nm）,经预处理后进行储氢实验。结果在室温及100atm压强下，单壁纳米碳管储氢量为4.2%（质量分数）。当样品放到大气压强下，大部分（78%）被吸收的氢气可以释放,少量残余气体经加热后从样品中释放出来。他们把单壁纳米碳管大量储氢归结于所用样品具有较大的平均直径，理论估计单壁纳米碳管的平均直径越大，储氢性能越好。在成会明等人的另一篇文章[6]中研究了用流动催化法制备的纳米碳管纤维储氢特性。室温下，100nm的纳米碳管纤维的储氢量高达10%（质量分数）以上。
在纳米碳管中掺杂碱金属可以明显提高材料的储氢能力。P.Chen等人[7]在实验中用掺杂了锂、钾金属的纳米碳管（由CH4催化分解制得）进行了实验，一个大气压下和适当的温度（200~400℃）或者室温下，储氢量分别为20%或14%（质量分数）。当稍稍升高样品温度时，被吸收的氢便会释放出来。值得注意的是这一吸收——释放循环过程可重复进行，而样品储氢能力并没有明显损失。P.Chen等人认为纳米碳管的开放边缘结构以及碱金属的催化作用导致大量储氢。
纳米碳管是由类似石墨的六边形组成的管状物，管子一般由多层组成，两端封闭，直径在几纳米之间，长度可达数微米，层片间距为0.34nm，比石墨的层片间距（0.335nm）稍大[8]。目前纳米碳管的制备方法有石墨电弧法，电弧催化法，催化裂解（CVD）法等。不同的制备方法生产的纳米碳管储氢能力也不相同，同时实际应用对储氢材料的大量需求也要求提高纳米碳管的产率，因而对纳米碳管的制备方法的研究显得十分重要。纳米碳管的特殊结构导致了其储氢特性.，但材料的预处理及金属掺杂对纳米碳管的储氢性能的影响也很重要.，实验室里必须摸索更好的实验流程以显著提高材料的储氢效率。这也要求理论上对纳米碳管的储氢机理进行研究以更好的指导实验。
目前对纳米碳管储氢机理的研究主要集中在回答如下问题：储氢以物理吸附还是化学吸附为主、氢在纳米碳管中以何状态存在、表面势和碳管直径大小对储氢过程和容量的影响[9,10]。由于对金属钾和石墨的夹层化合物的物理吸附储氢行为已有很好的研究[11]，以及纳米碳管具有储氢容量较金属储氢大、释氢速度快、可以在常温下释氢等性质，我们认为纳米碳管表面势和物理吸附在储氢过程中起重要作用。一些理论研究表明，大直径的纳米碳管有利于氢的吸附[5,9]，成会明小组认为用氢电弧法制备的单壁纳米碳管多聚集成束状，管束的直径较大，碳管束中管与管的间隙为氢的存储提供了较大的空间，而单壁纳米碳管的表面状态和表面特性也与其储氢容量密切相关[6,9]。我们在分析以上观点和实验结果的基础上，对单壁纳米碳管的储氢机理以及储氢的动力学过程，进行了研究计算。我们将处于氢气氛围中的单壁纳米碳管当作巨正则系综，进行理论计算以确定氢在纳米碳管中的存在状态。在这个系统中，管壁对氢的作用有三个：束缚、解离、吸附。在管壁势垒的作用下，氢分子和氢原子在中空管中有一定的能级状态。此外，纳米碳管管壁碳原子和氢的相互作用（由于距离很近，因而相互作用比较强）使得氢气离解成原子氢，部分氢原子与碳形成C—H键而被吸附在管壁上。通过计算系综巨配分函数，确定在一定温度压力下的饱和储氢量，并与实验储氢结果对比，取得初步的认识。纳米碳管之所以能大量储氢的原因是与通常分子解离成原子压力会增大不同，解离的氢分子原子之间形成互相关联的相互作用会导致中空管中压力下降，气体凝聚成类液体状态，因而储氢量增加。纳米碳管由于比表面积大，又呈中空状，可发生毛细现象，吸氢变得容易，很可能以物理储氢为主，我们将这一过程称为解离凝聚。利用这一模型可以计算凝聚的相变温度、研究碳管壁表面势、碳管直径大小、温度和压力对储氢容量的影响。有关单壁纳米碳管储氢机制的详细计算，将在我们的另外一篇文章中加以具体阐述。关于储氢的具体动力学过程及多壁纳米碳管储氢机制也值得继续研究。
纳米碳管作为一种非常有潜力的储氢材料，已经吸引了广泛重视。研究纳米碳管的储氢机制，使我们能从理论从材料制备、预处理以及金属掺杂等方面指导纳米碳管储氢实验。然而有关这方面的探讨目前还十分有限，必须对储氢机理引起足够重视并进行系统研究。
参考文献
1. Amankwah.K.A.G, Schwarz, J.A.Int.J. Hydrogen Energy 14, 437 (1989).
2. S.Iijima, Nature, 347, 354 (1991).
3. A.C.Dillon, et al., Nature 386, 377 (1997).
4. Chambers, C.Park, R.T.K.Barker, N.M.Rodriguez, J. Phys. Chem.B 122, 4253 (1998).
5. C.Liu, Y.Y.Fan, M.Liu, H.T.Cong, H.M.Cheng, M.S.Dresslhaus Science 1127, 286 (1999).
6. 成会明等，《材料研究学报》 13, 230 (1999).
7. P.Chen, X.Wu, J.Lin, K.L.Tan , Science, 91, 285 (1999).
8. 慈立杰等，《新型碳材料》13, 65 (1998).
9. 成会明，《自然杂志》22（5），249（2000）.
10毛宗强等，《新型碳材料》，15（1），64（2000）.
11N.Akuzawa, Y.Amari, et al.,J. Mater. Res. 5 (12), 2849(1990).
下一个目标：第四个中微子或者更多
Mike Perricone 肖咏译于2000年6月30日费米新闻
Alexandre Duma的经典冒险小说<<三个火枪手>>，实际上着重于D’Artagnan—第四个正在等待中的火枪手的故事。经典的标准模型的故事——三个中微子——是否也有它的D’Artagnan——等待中的将作为故事的中心而出现的第四个中微子？
费米实验室下一代的固定靶试验将撰写讲述这一故事的篇章。
“我们未来当中最清楚的部分就是中微子计划，”在六月二号的固定靶年会上试验室主任Michael Witherell这样说道，“我们正处于进行新一轮费米实验室中微子试验的计划当中。MINOS正朝着在2003年初看到新中微子的这一目标迈进。采用推进束的MiniBooNE，也在朝着在2001年开始采集数据这一目标快速前进。”
标准模型包含了三类或三种“味道”的中微子：电子型中微子， 子型中微子， 子型中微子。量子力学认为能从一种味道变到另一种味道的中微子必须具有质量。目前实验学家已经在三种质量差别的范围内看到了中微子振荡的迹象：太阳中微子、大气中微子以及Los Alamos 国家实验室加速器实验中的中微子。The Liquid Scintillator Neutrino Detector, which has already shown signs of the largest mass difference (noted as “Δm2”) among the three by far.
正像很多物理问题一样，答案引发更深层次的问题。
“哪一种方式才是振荡，振荡参数又是什么？”Witherell 要问.“他们真的是中微子振荡吗？如果是，那么我们需要一个不相容于标准模型的第四个中微子。”
为什么要第四个中微子？这是一个数学问题。
“现在我们知道有三个中微子，每一个对应一个不同的质量，”研究副主任（资深的中微子实验学家）Mike Shaevitz解释说. “仅有三个数，你不能产生三个不同的“Δm2”。仅有三个中微子我们不能解释这三个结果，需要第四个中微子。”
第四个中微子被假定为”sterile”中微子。或者这可能也只是个开始；也许’sterile”只是一种比喻，等待中的中微子会越来越多。
“没有理由认为只有一个sterile中微子。我情愿认为最自然的数是三，每个家族对应一个，”MiniBooNE实验的共同发言人Janet Conrad 认为，MiniBooNE是下一轮固定靶实验的关键组成部分。
“在中微子研究的圈子里流传着一句有意思的话，”Conrad 继续说道,“我不知道是谁先说的。这句话是这样说的：‘Sterile中微子就像蟑螂，一旦你在你的理论中得到了他，就在也没有办法阻止它的出现了。’ 理论物理学家要么喜欢Sterile中微子，要么很讨厌他们，而没有中间派。”
但是还是有很多冒险的地方。
MiniBooNE将采用从推进加速器中产生的质子束来进行短基线的固定靶实验，并被期望能够在2001年晚些时候通过一个装满石油的直径12米的球以及光电倍增管来采集数据。目标就是：通过数以千计的事件来确认，在一束初始为纯 子型中微子的中微子束中会有由于电子中微子的出现而带来的LSDN迹象。运行在最大的质量差别范围内的MiniBooNE能够利用很短的时间来进行可能的中微子振荡，这些振荡也许可以证实LSDN的可能性。
“在这一点上，”Conrad said，“不知道LSDN‘有’还是‘没有’，我们就不能解决这个问题。”
即使“没有”也包含了更深的可能性，但是“有”将引出难以计数的stakes。“确认LSDN的实验将改变我们有关中微子的图像以及未来在中微子研究中我们该往那里走,” 在年会上Witherell 说道：“实验上，我们将能够赢得头彩，因为那时候将有很多事情可以让我们做。”
头彩的彩金将包括第四个即sterile中微子，相关的理论和实验研究以及像MiniBooNE一样采用短程路径的基于加速器的新一代的中微子实验，这些实验将打开一条通向“标准模型之外的“新物理”的路径。
中微子可以很容易穿过任何东西，包括地球—even the 450 miles of earth between Batavia and a mine shaft a half-mile below the surface in Soudan, Minnesota.
主注射器中微子振荡搜寻领导着下一代的固定靶实验，这些实验采用从新一代的主注射器出来的高强度的、能量为120-GeV的质子束。作为NuMI(Neutrinos at the Main Injector)项目的一部分，长基线MINOS实验将探测质量差别非常小的从 子型中微子到 子型中微子的振荡。
5月31号，耗资三千万美元的项目——为NuMI而在实验室建设一条1500米长的隧道，已经破土动工。
主注射器的高强度质子束也将用来进行两项关于CP对称破坏的实验，以研究物质和反物质之间的抗对称性。
主注射器实验的Charged Kaons的目的是测量很少发生的带电K介子衰变产生的带电π介子,中微子及反中微子的braching ratio.Kaons则是研究极少发生的中性K介子产生中性π介子、中微子和反中微子的衰变。KAMI将采用在前一个在Tevatron探测器上的Kaons,在中性K介子衰变实验中，该Kaons已经产生了CP对称破坏的直接证据。
Witherell很清楚实验室优先考虑的是Tevatron的Collider Run II。但是他也宣布了对这个快速发展的中微子物理领域中出色计划的一个one-for-all和all-for-one的支持。
“这是一个已经有一段时间很热门的领域，而且还将继续一些年，” Witherell said，“五六年内我们将知道比我们现在所知道的多的多。”
超光速存在吗？
武强
最近,由于英国Nature（Nature,2000,406:277）杂志发表了一篇关于“超光速”实验的论文，引起了人们对超光速倒底是否存在的讨论。其实对在介质中使光脉冲的群速度超过真空中光速c,科学家们早有研究，而Nature中报道的这个实验就是实现了这种想法。但是这并非是人们想象的那种所谓违反因果律(或者相对论)的超光速,为了说明这个问题，让我们看一看由华人科学家王利军(音译)所做的这个实验。
光脉冲是由不同频率、振幅、相位的光波组成的波包，光脉冲的每个成分的速度称为相速度，波包峰的速度称为群速度。在真空中二者是相同的，但是在介质中如我们所知道的存在如下的群速度与介质折射率的关系：
显然在一定的情况下（如反常色散很强的介质）可以出现负的群速度，此时，光脉冲在介质中传播比真空中花的时间短，其差 达到绝对值足够大时就可以观察到“超光速”现象，即“光脉冲峰值进入介质以前，在另一边已经有脉冲峰出射了”（由王利军原文译）。
那么这种超光速是不是违背因果率呢？我们仔细考查王的实验就会发现，出射光脉冲虽然是在入射脉冲峰值进入介质之前出现的，但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了（如图），因此出射脉冲可以看作是由入射脉冲前沿与介质相互作用产生 的。其实王的实验重要意义正在于实现了可观测的负群速度的这一现象，而不是像媒体炒作的那样发现了什么“超光速”，负的群速度在这里就不能理解为光的速度了，它也不是能量传输的速度。当然，这一实验本身就说明我们人类对光的认识又前进了一步。对这个实验的解释只凭折射率与群速度的关系这个公式是远远不够的，这其中包含了量子干涉的效应，涉及到对光的本质的认识，揭开蒙在“超光速实验”头上的面纱，仍然是科学家们奋斗的目标。
很多人在了解了这个实验后就会想到能否用这种“超光速”效应来传递信息，在王的实验中，“超光速”的脉冲不能携带有用的信息，因此也就无从谈起信息的超光速传递，同样能量的超光速传输也是不行的。
与超光速实验具有相同轰动效应的是另一种“超光速”现象：quantum teleportation即量子超空间传输（或量子隐形传态），这个奇妙的现象因其与量子信息传递及量子计算机的实现有密切联系而引起人们的关注。所谓超空间，就是量子态的传输不是在我们通常的空间进行，因此就不会受光速极限的制约，瞬时地使量子态从甲地传输到乙地（实际上是甲地粒子的量子态信息被提取瞬时地在乙地粒子上再现），这种量子信息的传递是不需要时间的，是真正意义的超光速（也可理解为超距作用）。在量子超空间传输的过程中，遵循量子不可克隆定律，通过量子纠缠态使甲乙粒子发生关联，量子态的确定通过量子测量来进行，因此当甲粒子的量子态被探测后甲乙两粒子瞬时塌缩到各自的本征态，这时乙粒子的态就包含了甲粒子的信息。这种信息的传递是“超光速”的。
但是，如果一位观测者想要马上知道传送的信息是什么，这是不可能的，因为此时粒子乙仍处于量子叠加态，对它的测量不能得到完全的信息，我们必须知道对甲粒子采取了什么测量，所以不得不通过现实的信息传送方式（如电话，网络等）告诉乙地的测量者甲粒子此时的状态。最终，我们获得信息的速度还是不能超过光速！量子超空间传输的实验已在1997年实现了（见Nature,390 ,575.1997）。
以上两个超光速的方案目前还只处于理论探讨和实验阶段，离实用还有很远的距离，而且这两个问题都涉及到物理学的本质，实验现象及其解释都在争论之中。
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