歷史拾遺：一個未被充分認知的基本粒子理論

中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所 張思源 編譯自Robert P Crease. Physics World, 2026, (3): 23

（注：部分內(nèi)容已同中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所劉金巖研究員核實。）

在 “文化大革命”讓國家發(fā)展陷入停滯后，有關(guān)基本粒子的一種鮮為人知的理論，成為中國科學(xué)重新發(fā)展的關(guān)鍵。羅伯特·P·克里斯（Robert P. Crease）從中國物理學(xué)史研究者劉金巖那里了解到更 多情況。

“ 有關(guān)基本粒子結(jié)構(gòu)的層子模型理論在西方的影響相對有限，”劉金巖同我坐在CERN餐廳的一個安靜角落時說道。我最近在一次粒子物理學(xué)史國際會議的休息期間遇到她，她即將作報告的題目中觸及中國物理學(xué)家在20世紀60年代中期構(gòu)建的一種基本粒子結(jié)構(gòu)理論模型——層子模型。當(dāng)時，甚至很大程度上至今，在中國之外，層子模型仍不為人所知。“可它卻是中國物理學(xué)家此后融入國際共同體向前邁出的至關(guān)重要一步，”劉金巖補充道。

2025年11月10日至13日，劉金巖受邀參加在CERN舉辦的第四屆國際粒子物理學(xué)史研討會。她的報告有關(guān)中國粒子物理學(xué)家在改革開放以后如何開啟國際化。他們從層子模型——一個曾為毛澤東主席所青睞、受所處時代影響的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論——轉(zhuǎn)而接受國際主流的粒子物理學(xué)理論。我們很容易將這一轉(zhuǎn)變描述為中國科學(xué)家經(jīng)歷特殊時期，終于恢復(fù)“真正的”物理學(xué)研究而姍姍來遲的一刻。然而，劉金巖告訴我，“實際情況比較復(fù)雜”。

劉金巖有理論物理學(xué)訓(xùn)練背景。2013年，她從中國科學(xué)院理論物理研究所獲得博士學(xué)位，畢業(yè)論文題目與電荷－宇稱（CP）對稱性自發(fā)破缺相關(guān)。隨后她到中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所開始研究現(xiàn)代物理學(xué)史，是那里第一位擁有理論物理學(xué)博士學(xué)位的研究人員。她最初的研究課題正是層子模型構(gòu)建的歷史及影響。

該模型本質(zhì)上是一個關(guān)于強子——無論是重子（如質(zhì)子和中子）還是介子（如π介子和K介子）——結(jié)構(gòu)的理論。 該理論在中國的源起很特別。毛澤東對自然科學(xué)抱有濃厚興趣，并且相信物質(zhì)是無限可分的。1963年，他讀到坂田昌一（S. Sakata, 1911—1970）的一篇文章，后者是一位深受馬克思主義影響的日本物理學(xué)家。

坂田昌一的論文題為“關(guān)于新基本粒子觀的對話”。這篇文章最初于1961年以日文發(fā)表，后來被翻譯為俄文。文章重申了坂田昌一自20世紀50年代以來的研究信念，即強子有更小的組分——如他所述，“那些基本粒子并非物質(zhì)的終極要素”。當(dāng)時很多中國學(xué)者仍密切關(guān)注昔日的政治和意識形態(tài)盟友蘇聯(lián)的出版物，這篇論文隨后從俄文轉(zhuǎn)譯為中文。

毛澤東認真閱讀了坂田昌一的文章，因為這似乎為其所主張的物質(zhì)無限可分的思想提供了科學(xué)依據(jù)。

1963年，坂田昌一論文的中譯本發(fā)表在《自然辯證法研究通訊》。毛澤東可能是從他女婿那里得到了這期《通訊》，并非常認真地閱讀了坂田昌一的文章，因為這似乎為他的觀點提供了科學(xué)依據(jù)。這篇文章——無論日文原文還是中譯版——都引用了恩格斯（F. Engels）關(guān)于物質(zhì)具有多層次的、分立但不同質(zhì)的各部分的觀點。此外，它還援引了列寧（V. Lenin）的評論：“電子也是不可窮盡的”。

更廣泛的維度

“國際政治因素此時也開始顯現(xiàn)，”我們在CERN進一步探討該問題時，劉金巖這樣告訴我。20世紀50年代末，中蘇關(guān)系開始惡化，而此時中日之間的民間科技交流逐漸升溫。事實上，在1964年舉辦的北京科學(xué)討論會中，日本代表團規(guī)模最大，坂田昌一擔(dān)任團長。

會議期間，毛澤東親自祝賀坂田昌一的科學(xué)工作。后者后來回憶道，那是“我中國之行中最難忘的時刻”。1965年，坂田昌一的論文根據(jù)日文原版重新翻譯，其注釋版刊登在《紅旗》雜志和《人民日報》上，兩者為中共中央的機關(guān)刊物和報紙。

中國物理學(xué)家敏銳地意識到，他們可以借助毛澤東的興趣所帶來的契機，讓基本粒子物理學(xué)成為一個受到重視的研究方向。

當(dāng)時中國物理學(xué)家很快將研究興趣聚焦到基本粒子的結(jié)構(gòu)問題。大部分年輕成員雖然對哲學(xué)不是很有興趣，但意識到可以借助毛澤東的興趣所帶來的契機，推動基本粒子物理學(xué)這門學(xué)科在中國的發(fā)展。

于是，來自中國科學(xué)院、北京大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的39名成員在已有基礎(chǔ)上組成了北京基本粒子組。1965至1966年，他們撰寫了數(shù)十篇論文，構(gòu)建了一個同時受坂田昌一工作和夸克理論啟發(fā)且基于現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)的強子結(jié)構(gòu)模型——層子模型。層子并非物質(zhì)的最基本單元，而是物質(zhì)結(jié)構(gòu)無限層次中的一個層次。

劉金巖采訪了健在的、北京基本粒子組的絕大多數(shù)成員，并研究了模型細節(jié)。它不同于美國理論物理學(xué)家蓋爾曼（M. Gell-Mann）1964年提出的模型，后者認為夸克不是物理實體，而是數(shù)學(xué)要素。中國粒子物理學(xué)家當(dāng)時獲得了重要支持。尤其是，他們可以使用計算機，而此前計算機一直專供緊迫的國防工作。不過，劉金巖補充道，“事實上，這些粒子物理學(xué)家并不一定經(jīng)常需要使用計算機進行計算，但至少他們有了使用的機會。”

層子模型的高光時刻出現(xiàn)在1966年7月，當(dāng)時北京基本粒子組成員在中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會組織的北京暑期物理討論會上進行了報告。開幕式在人民大會堂舉行。參加這次會議的代表有來自倫敦帝國學(xué)院的薩拉姆（A. Salam）。薩拉姆是唯一受邀的西方知名物理學(xué)家，他之所以被邀請，是因為他的巴基斯坦總統(tǒng)科學(xué)顧問身份，而巴基斯坦被認為不屬于西方陣營。

有關(guān)層子模型的報告內(nèi)容后來以“在毛澤東思想光輝照耀下探索基本粒子研究的道路”為題收錄在暑期物理討論會論文集中。該報告在當(dāng)時被視為一份“戰(zhàn)斗性的文件”——旨在強調(diào)研究者們在毛澤東思想指引下開展研究，以批判“腐朽的封建、資產(chǎn)階級和修正主義意識形態(tài)”。

北京基本粒子組成員曾計劃在暑期物理討論會后用英文發(fā)表研究成果，使國際學(xué)界了解他們的工作。但那時“文化大革命”已經(jīng)開始，因此這一計劃未能實現(xiàn)。“就這樣，”劉金巖告訴我，“這使得層子模型在中國之外的影響非常有限，因為當(dāng)時絕大部分發(fā)表物都是中文，傳播范圍受限。”但坂田昌一卻對日本理論物理學(xué)家產(chǎn)生過重要影響，他曾合著有關(guān)中微子振蕩的關(guān)鍵論文[1]。

1966年北京暑期物理討論會開幕式

重新呈現(xiàn)這段歷史的努力

近年來，劉金巖通過對層子模型歷史的系統(tǒng)研究，為國際物理學(xué)界理解其價值提供了新的見解。她于2018年 在由中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所主辦的英文期刊Chinese Annals of History of Science and Technology上發(fā)表過一篇有關(guān)層子模型歷史的論文 [2]；2022年，她還出版了一部中文專著：《構(gòu)建強子結(jié)構(gòu)理論——中國物理學(xué)家的層子模型》[3]，書中描述了1966年后該模型的后續(xù)發(fā)展。模型所預(yù)言的層子尚未真正被發(fā)現(xiàn)，盡管在中國南方的一個宇宙線觀測站曾記錄到一次候選事例。

到1976年，量子色動力學(xué)（QCD）已被公認為是描述強子結(jié)構(gòu)的正確理論。1980年1月，在位于香港附近的廣東省從化縣召開的一場會議上，層子模型基本被宣告結(jié)束。朱洪元，作為北京基本粒子組的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一，在會上作題為“關(guān)于層子模型的回憶”的報告，標(biāo)志著物理學(xué)的發(fā)展已向前推進。

我們在CERN見面時，劉金巖給我看過1980年那次會議的照片。“這是中國物理學(xué)史上的一次非常重要的會議，”她說，“華裔粒子物理學(xué)家悉數(shù)出席”。李政道和楊振寧在聯(lián)絡(luò)這些華裔物理學(xué)家方面做了大量工作，二人因在弱相互作用宇稱不守恒方面的工作分享了1957年諾貝爾物理學(xué)獎。

臨界點

西方人很容易輕視層子模型；格拉肖（S. L. Glashow）曾提議用“毛粒子（Maons）”來統(tǒng)一命名構(gòu)成物質(zhì)的所有這些假設(shè)的組成部分，以紀念毛澤東，因為他一貫主張自然界有更深的統(tǒng)一。劉金巖則認為這是一項重要研究，產(chǎn)生了許多意想不到的結(jié)果，例如推動了中國物理學(xué)研究的進步。“它為中國物理學(xué)家提供了一個研究基本粒子和量子場論的重要機會”。

層子模型還培養(yǎng)了粒子物理學(xué)青年人才，鍛煉了他們的研究能力。改革開放以后，這些物理學(xué)家迅速融入國際學(xué)界。“這段歷史，”劉金巖說，“展現(xiàn)了中國物理學(xué)家是如何巧妙地在復(fù)雜的社會環(huán)境中發(fā)展粒子物理學(xué)科的智慧。”

參考文獻

[1]MAKI Z, NAKAGAWA M, SAKATA S. Remarks on the Unified Model of Elementary Particles[J/OL]. Progress of Theoretical Physics, 1962, 28(5): 870-880. DOI:10.1143/PTP.28.870.

[2]LIU J. Chinese Physicists’ Construction of the Straton Model in Social Context[J/OL]. Chinese Annals of History of Science and Technology, 2018, 2(1): 85-122. DOI:10.3724/SP.J.1461.2018.01085.

[3] 劉金巖. 構(gòu)建強子結(jié)構(gòu)理論——中國物理學(xué)家的層子模型[M]. 濟南: 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 2022.

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