世界当代科技史- 第4部分

　　拉姆（1926—）在　1968年分别提出了弱相互作用与电磁相互作用的规范理　

　　论，简称W—S模型。它不仅可以解释已知的弱相互作用与电磁相互作用的基　

　　本规律外，还预言了尚未被人所知的传递弱相互作用的粒子——中间玻色子　

　　　＋　　？　

　　W、W和Z°。1983年，意大利物理学家鲁比亚领导的小组通过高能质子一　

　　反质子对撞机的实验找到了这3种中间玻色子。实验结果与理论预言基本一　

　　致。弱相互作用与电磁作用在理论上已能统一起来，但它所预言的另一个粒　

　　子“黑格斯”至今尚未找到。近年来，以夸克模型，W—S模型和量子色动力　

　　学为基础的标准模型逐步发展起来，形成一个比较成功的基本粒子物理理　

　　论。物理学家正朝一个目标努力，试图把3种乃至4种相互作用统一起来，　

　　建立大统一理论。1984年，英国伦敦大学的格林教授和美国加州大学的斯瓦　

　　兹首先提出了超弦理论。1985年，美国另一位物理学家戴维·格劳斯又提出　

　　了杂化弦的超弦理论。超弦理论旨在解决引力的量子化和将4种相互作用统　

　　一起来的问题。这是探索大统一理论的最新进展。　

　　　　　　　在微观粒子体系中，有一种反映空间的左右对称性的概念，叫做宇称。　

　　不同种类的基本粒子，或具有偶宇称，或具有奇宇称。1956年以前，多数物　

　　理学家都认为，由多个粒子组成的体系，无论在相互作用中发生什么变化，　

　　它的总宇称是保持不变的。这就是宇称守恒定律。但在1954—1956年，人们　

　　在实验中发现了质量、寿命和电荷都相同的两种粒子，一个叫θ介子，一个　

　　叫τ介子。这两种粒子的唯一区别在于：θ介子衰变为2个π介子，而T介　

　　子衰变为3个π介子。3个π介子的宇称为负，2个π介子的宇称为正。所以　

　　从衰变行为来看，如果宇称守恒，则θ和τ不可能是同一种粒子。但它们的　

　　质量、寿命和电荷都相同，又应是同一种粒子。这就是所谓的“θ—τ”之　

　　谜。1956年，在美国工作的物理学家李政道（1926—　）和杨振宁（1922—）　

　　对当时有关实验资料作了全面考察。他们发现在电磁相互作用和强相互作用　

　　中，宇称是守恒的；但在弱相互作用过程中，并没有可靠的实验证据。他们　

　　指出：“目前的θ—τ之谜可以看作是宇称守恒定律在弱相互作用中并不成　

　　立的一个迹象。”如果在弱相互作用中，宇称可以不守恒，则θ—τ之谜将　

　　迎刃而解。李、杨二人还提出用哪些实验可以检验宇称守恒定律。另一位华　



①　高能正负电子相撞时，末态强子飞行方向的分布并不是各向同性的，而是集中在某几个立体角很小的区　



域内，很象从正负电子对撞点喷射出去的几束粒子注，因此称为喷注。　


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裔美籍女物理学家吴健雄　（1915—　）率先用　Co实验对宇称守恒定律作了　

检验，证明了在β衰变过程中宇称确实是不守恒的；θ和τ是同一种粒子也　

得到了确认　（即K°介子）。弱相互作用中宇称不守恒的提出和证实，使人　

类对基本粒子性质及弱相互作用的规律的认识跃上一个新高度。李政道和杨　

振宁因这一成就于　1957年获得诺贝尔物理学奖。这是华人第一次获诺贝尔　

奖，而且取得成就后一年就被授奖，在历史上是没有先例的。　

　　　　　　（4）高能实验装置　

　　　　　用于原子核物理和基本粒子物理研究的高能实验装置之一是粒子加速　

器。它用人工加速带电粒子，可产生高能量、高强度的粒子束，是人类历史　

上规模最大、耗资最多的实验装置。最早的加速器是1932年英国物理学家考　

克饶夫特（1897—1967）和爱尔兰物理学家瓦尔顿（1903—）在卢瑟福实验　

室建造的倍压加速器。它是一种直线型加速器。由于技术上的困难，直线型　

加速器长期没什么发展。直到第二次世界大战以后，由于微波技术的发展和　

稳相原理的提出，直线型加速器才东山再起。1948年，在美国加州大学建成　

第一台质子直线加速器，能量达32兆电子伏。1966年，美国斯坦福大学建　

成3050米长的电子直线加速器，能量达24京电子伏。　

　　　　　另一种类型的加速器是回旋加速器。粒子在环形轨道上运动。第一个回　

旋加速器也是在1932年由美国物理学家劳伦斯　（1901—1958）设计制造的。　

1944—1945年，原苏联物理学家维克斯列尔（1907—1966）和美国物理学家　

麦克米伦　（1907—）分别独立发现了自动稳相原理，设计建造了稳相加速器　

　（即同步回旋加速器）。此外，有人还发展了等时性回旋加速器。1952年，　

美国建成第一台质子同步加速器。用它所加速的质子，打出了Ｋ、Λ、Σ等　

奇异粒子。　1959年，在日内瓦建成的强聚焦质子同步加速器，能量达28京　

电子伏。1973年，用它发现了中性弱流，为弱—电统一理论提供了支持。1960　

年，布鲁海文实验室建成了33京电子伏的强聚焦质子同步加速器。利用它在　

1962年发现了中微子V，1974年发现了Ｊ粒子。70年代，在美国和日内瓦　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　μ　



建成了两座世界上最大的质子同步加速器，最高能量分别达500京电子伏和　

400京电子伏。　

　　　　　高能实验装置在60年代以后的一个重要进展是建造对撞机。在这之前的　

加速器只产生一束高能粒子。随着加速器能量的提高，这种加速器存在很大　

的能量损失。为提高有效作用能量，人们提出建造对撞机。对撞机原理是美　

国物理学家开尔斯特（1911—）和奥尼耳（1927—）于1956年提出的。根据　

动量和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量（即能引起粒子反应的能量）只　

取决于粒子的相对速度。对撞的效果对于更高能量和更轻的粒子　（如电子）　

更为显著。目前世界上已建造了几十台对撞机。1981年，在日内瓦欧洲核研　

究中心建成的质子—质子对撞机，能量达2×270京电子伏。1983年，在这　

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台对撞机上发现的玻色子Ｗ、Ｗ　和Ｚ°，成为验证弱—电统一理论预言的　

证据。　

　　　　　中国于1988年10月16日建成了第一台高能加速器北京正负电子对撞　

机，首次对撞成功。1988年12月12日，中国最大的重离子加速器在兰州建　

成。　1989年，在合肥又建成同步辐射加速器。这三项工程的完成，标志中　

我国的加速器技术已接近国际先进水平。　

　　　　　目前，欧洲核研究中心正在建造一台大型质子—质子对撞机，能量为16　

太电子伏。人们期望能用它产生顶夸克、发现黑格斯粒子等新粒子和新现象。　


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　　　　　半个多世纪以来，加速器的发展异常迅速，粒子的能量提高了6个数量　



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级　（由10电子伏到10电子伏），成为当代大科学的重要标志之一。粒子　

加速器为原子核物理和基本粒子物理提供新的实验结果、新的证据和新的课　

题。基本粒子物理学每一个新理论的提出，都对加速器提出新的更高要求，　

也提出新的加速原理，推动着加速器的发展。在当代科学中，理论与实验以　

及技术的相互依存、相互促进的密切关系，由此可见一斑。　

　　　　　到目前为止，基本粒子物理学还处于积累实验事实，提出假说和创立理　

论的阶段，有许多未解之谜等待探索。但是，基本粒子物理学已对原子核物　

理学、天体物理学、凝聚态物理学产生了重要促进作用。粒子加速器产生的　

粒子束已被用于治疗癌症。粒子加速器在工业辐照和工业探伤等方面的应用　

已有30多年。高能直线加速器大功率束调管技术的发展，促进了大功率发射　

管技术的进步，推动了广播通讯事业的发展。由同步辐射加速器发展起来的　

同步辐射光源，现已进入到第三代，在许多领域，特别是在大规模集成电路　

光刻和超微细结构的加工方面获得了广泛的应用。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2。凝聚态物理学的进展　



　　　　　当代物理学把固态物质和液态物质统称为凝聚态物质。固体物理学作为　

物理学的一分支学科，形成于20年代末。30年代，它以量子力学为基础蓬　

勃发展起来。第一本全面论述固体物理的书是1941年塞兹写的《近代固体理　

论》。它是固体物理奠基性的专著，对这一学科发展影响深远。凝聚态物理　

学是40—50年代由固体物理学发展而来的。它一方面扩大了研究对象，从晶　

体扩展到非晶体，还包括许多液体。另一方面，它在理论处理中更多地考虑　

了粒子之间的相互作用。凝聚态物理学是当代物理学中最庞大的一个部分，　

有许多分支学科，其中以半导体物理、超导体物理和非晶态物理发展最快，　

影响也最大。　

　　　　　　（1）固体物理学　

　　　　　1928年，美籍瑞士人布洛赫（1905—）利用量子力学的薛定谔方程求解　

电子在周期势场中的运动，建立了固体的能带理论。该理论认为：晶体中原　

子能级与孤立原子的能级不同；它由很多个彼此相隔很近的子能级构成，通　

常称为能带。能带理论为固体提供了一个普遍适用的微观结构模型。1933　

年，英国物理学家威尔逊　（1874—1964）利用能带理论解释了金属、绝缘体　

和半导体之间的区别。　

　　　　　第二次世界大战以后，由于理论研究的深入和材料制备工艺技术的进　

步，固体物理学发展到了一个新阶段，不断取得新的成果并扩展和分化出新　

学科。首先，在理论方面，人们已开始探索凝聚物质中粒子的相互作用，在　

1947—1958年间拓展到凝聚物质的多粒子问题；凝聚态物理学也逐步形成。　

其次，实验技术取得长足进展。电子顺磁共振、核磁共振等波谱学技术被广　

泛应用，使许多实验室都能制备液态氢。晶体生长方法的改进，可以使人获　

得极纯或没有缺陷的各种材料的单晶，为半导体及其他材料的发展提供了技　

术基础。超低温、超高压、超强磁场等极端条件的技术也迅速进步。1965年，　

荷兰科学家首先制造出稀释致冷机。80年代初，芬兰的劳纳兹玛　（1930—）　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…8　

等人制成一台恒温器，其中铜核自旋已被冷却到5×10K。1989年，殷实等　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…8　

人在芬兰用级联核绝势去磁法得到了2×10K的最低温度。超低温技术的发　


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展使人们认识到许多新的物理现象，超导体物理就是在此基础上发展起来　

的。1953年，美国通用电器公司设计了一种“BELT”型的高压装置，可产生　



　　　　　　　　　　　　　　　　　2　

约6万公斤／厘米　的压力。利用它在1955年首次合成了金刚石。　

　　　　运用这些先进的实验手段，科学家们获得许多意外发现。近年来发现的　

C　就是其中之一。1985年，英国的克罗多等在研究激光辐照石墨产生的碎　

　60　



片中用质谱发现，存在另外一种碳形态——笼状碳簇合物，其粒子数为60。　

他们提出了C的足球模型。足球表面由20个正6边形和12个正5边形组　

　　　　　　　　　　　　60　



成。如果在每个顶点都放一个碳原子，正好是60个。这样一种特殊结构，具　

有高度稳定性。人们用擅长设计网笼结构的著名建筑师Buck…minsterFuller　

的名字，将这种笼状碳簇合物命名为BuckmisterFullerene，中文称为巴基　

球或富勒球。1990年，德国的克拉茨莫研究组用石墨电极在氦气中电弧放　

电，制备了较多数量的笼状碳簇合物，为C　的研究开创了新路。不久人们　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　60　



发现碱金属掺杂C　固体具有超导性，其超导转变温度达30K左右。目前有　

　　　　　　　　　　　　　　　　60　



关C的物理、化学等方面的研究已成为科学界关注的焦点。　

　　　　60　



　　　　1958年，安德逊发表了一篇“扩散在一定的无规点阵中消失”的论文。　

这项研究无序体系电子态的开创性工作，为非晶态材料的电子理论奠定了基　

础。1960年，美国的杜威兹等人用喷枪法获得非晶态Au—Si合金。这是制　

备非晶态金属的重要突破，并且开拓了非晶态金属的研究领域。1973年，美　

国联合化学公司生产的非晶态金属玻璃薄膜已经实现商品化。日本现在已大　

批量生产用非晶软磁合金制作的各类磁头。　

　　　　1967—1969年，在安德逊局域化理论的基础上，莫特等人建立了非晶态　

半导体的能带模型。它认为非晶态半导体中的势场是无规变化的，但其无规　

起伏没有达到安德逊局域化的临界值，因此电子态是部分局域化的。这个模　

型虽尚未被普遍接受，但实际已成为非晶态半导体电子理论的基础。1975　

年，斯皮尔在硅烷辉光放电中引入硼烷和磷烷，制备出了P型和n型非晶硅。　

1976年，美国的卡尔逊制造出世界上第一个非晶硅太阳能电池。这些成果使　

非晶半导体材料的应用展现出美好前景，引起各国科学家重视。90年代初，　

4叠层非晶硅氢太阳能电池的能量转换效率已达15％，并接近工业生产阶　

段。　

　　　　1976年，莫特和戴维斯合著了《非晶固体中的电子过程》，对非晶态