描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787535770004
《构建夸克》作为物理学史的一部经典，详细描述了战后基本粒子物理学发展的历史。为了对科学知识的作用进行重新评估，安德鲁?皮克林提出，科学家不是大自然被动的观察者和报告者。相反，他们通过实验和理论实践的社会性共生互动，成为世界的积极创造者。
第一部分
引论：高能物理前史及其资料的局限性
第1章 引论
第2章 人力资源与机器
2.1 高能物理共同体
2.2 高能物理实验：基础知识
2.3 加速器年表
第3章 旧物理学：高能物理，1945-1964
3.1 粒子暴增现象
3.2 守恒律和量子数：从自旋到八正法
3.3 量子场论
3.4 S 矩阵
第二部分
构建夸克与新物理学的建立：高能物理，1964 –1974
第4章 夸克模型
4.1 夸克成因
4.2 组分夸克模型
4.3 夸克和流代数
4.4 夸克实在
第5章 标度无关性、硬散射和夸克-部分子模型
5.1 SLAC上的标度无关性
5.2 部分子模型
5.3 部分子、夸克和电子散射
5.4 中微子物理学
5.5 轻子对产生、电子-正电子湮灭和强子硬散射
第6章 规范理论、电弱统一与弱中性流
6.1 杨-米尔斯规范理论
6.2 电弱统一与对称性自发破缺
6.3 规范理论的重整化
6.4 电弱模型与弱中性流的发现
6.5 中性流与中子背景
第7章 量子色动力学：强相互作用的规范理论
7.1 从标度不变性到渐近自由
7.2 量子色动力学
7.3 量子色动力学的不足
第8章 1974年的高能物理学：发展状态
8.1 规范理论小结
8.2 一个时代的结束
8.3 三位过渡性人物的传记
第三部分
新物理学的建立：十一月革命及其他
第9章 粲数：撬动世界的杠杆
9.1 十一月革命
9.2 R 危机
9.3 新粒子
9.4 粲数
9.5 新世界
第10章 电弱相互作用的标准模型
10.1 更多的新夸克和轻子
10.2 变体的扼杀
10.3 标准模型的建立：社会性与概念性的统一
第11章 量子色动力学的实践
11.1 唯象的量子色动力学：综述
11.2 量子色动力学与质谱
11.3 量子色动力学与硬散射
第12章 规范理论与实验：1970-1990
12.1 实验趋势
12.2 理论化身
12.3 未来设想
第13章 大统一理论
13.1 大统一理论与高能物理学
13.2 大统一理论与宇宙学
13.3 大统一理论与质子衰变
13.4 规范理论至高无上
第14章 创造世界
14.1 实践的动态过程
14.2 传统与共生关系
14.3 不可通约性
文献目录
索引
“《构建夸克》记载了20世纪科学革命的众多里程碑式事件——夸克的发现、描述强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用的规范场论的建立……我由衷地认为这是一部值得授予大奖的巨著。”
——迈克尔·赖尔登，《新科学家》
“一段令人赞叹的历史……鉴于他给出如此详尽、精到的解释，鉴于这部书对物理学家为什么要从事他们所从事的事业的清晰论述，我们不能不说，这是一部值得所有进入或打算进入基本粒子物理学研究领域的青年物理学家一读的好书。”
——休·N·彭德尔顿，《今日物理学》
“对一项辉煌事业的详尽描述。”
——约翰·波尔金霍恩，《时代 高等教育副刊》
第1章 引 论
在一个有体系的认识论者看来，科学家……必定像一个肆无忌惮的机会主义者。
——爱因斯坦1
现代科学史家必须接受这样一个事实：科学家们总是走在认识自然的最前列。关于这方面的描述，粒子物理学家已经通过科普报刊或高能物理方面的专业文献给出了很多，2本书也将对这些描述进行考察。这些描述都有一个共同的形式——都是以既定的科学写作体裁投稿——并呈现为一种科学观点，从某些方面说，这种观点是文章在后续几页中要展开的镜像（或倒像）。因此，我想先勾勒出科学家对高能物理发展史的典型“描述”。这样，一方面可以揭示出这种描述的不足之处，同时也便于说明我自己所采取的方法的理由。3这种速写会用到一些专业术语，这些术语在后面的章节都会有解释，其具体含义在目前情况下不是很重要。
科学家对物质层次结构的描述始于60年代初*。当时，粒子物理学家已知道自然界存在4种基本力。按力的强弱排序，它们分别是强作用力、电磁力、弱作用力和引力。强作用力是短程力，用于说明原子核中的中子与质子的结合，它也是基本粒子之间的主要相互作用力。电磁力要比强作用力弱得多，大约只有后者的103（即1000）分之一。它是一种长程力，用以说明原子中原子核与电子之间的约束，也用来解释各种宏观电磁现象：如光、无线电波等等。弱作用力也是一种短程力，其强度大约只有强作用力的105（100,000）分之一，除非在特殊情形下，其影响基本可忽略不计。这些特殊情形是指原子核和基本粒子的某些放射性衰变以及某些恒星的产能过程。最后是引力。像电磁力一样，引力也是长程力。它用于说明宏观引力现象——苹果从树上落下来，地球的绕日轨道运动，等等——但这种力要比强作用力弱上1038倍，在基本粒子世界里其影响可认为完全微不足道。
与力的分类相对应的是基本粒子的分类。受强作用力支配的粒子称为强子。强子有很多种，包括原子核的成分——质子和中子。那些不受强作用力支配的粒子，如电子和其他少数粒子，称为轻子。但这一粒子分类图像在1964年开始发生变化。有假说认为，这些成分粒子也是可分的：强子就被认为是由更基本的实体——夸克——组成的。虽然这一假说留有许多问题有待回答，但夸克模型确实能够解释实验观察到的强子质量谱和强子衰变过程的某些规律性。此外，在60年代末和70年代初，人们看到，夸克可以解释所谓标度无关性（scaling）现象，人们已在最近的轻子与强子的相互作用实验中发现了这一标度关系。因此，在科学家那里，夸克代表着一种新物质层次上的基本实体。夸克的存在最初并没有被认为得到确证，主要原因是实验上未能发现明显具有所宣称性质（即具有分数电荷）的这类粒子。轻子不存在这种平行的本体论上的转变；与强子不同，它们仍被视为真正意义上的基本粒子。
早在20世纪70年代，有关夸克之间、轻子之间相互作用的新理论已开始制定。人们首先认识到，弱相互作用和电磁相互作用在所谓规范理论的处理下可以统一为单一的电弱作用力的不同表现。这一统一理论大有19世纪麦克斯韦统一电与磁的遗风，它预言的弱中性流在1973年得到确认，预言的粲粒子也于1974年得到验证。此外，人们在1973年还认识到，可能存在一种特殊的规范理论，称作量子色动力学（或简称为QCD），可以用来解释夸克的强相互作用。开始时人们发现它可以解释标度无关性，后来它又被用来描述实验观察到的对标度无关性的偏差。它说明了粲粒子和其他粒子的一些有趣性质，还可以说明各种强子现象，由此量子色动力学成为公认的强相互作用理论。孤立夸克仍然没有能观察到，但电弱理论和量子色动力学都预设了夸克图像的有效性，因此夸克的存在与规范理论对它们之间相互作用的描述是同时得到确立的。在70年代后期，粒子物理学家们一致认为，基本粒子世界是由夸克和轻子相互作用主宰的世界，它受两种规范理论——电弱理论和量子色动力学——的支配。最后，人们注意到，既然电弱统一理论和量子色动力学都是规范理论，那么它们之间应当也可以统一起来。这最后的统一带来了更加迷人的预言，并从1979年开始引起实验工作者的兴趣。这些预言虽然没能立即得到证实，但许多物理学家坚信总会有确认的这一天。因此，有了夸克之后，人们不仅发现了一个新的物质基本结构层次，而且看清了：以前被认为是彼此完全不同的三种力——强力、电磁力和弱力——其实只是一种力的不同的具体表现。
科学家对夸克概念发展史的描述，不仅简洁，而且还有个好处，就是它点出了发展的关键。例如，它表明，夸克概念只是（我们后文将要讨论的）理论发展过程中的一个组成部分，另一部分是规范理论，后者最终提供了理解夸克和轻子等相互作用的框架。值得牢牢记取的是：如果我们不能领会规范理论的威力，那么就不可能建立起正确的夸克图像。科学家的描述还指出了新现象——标度无关性、中性流、粲粒子等等——在支持夸克-规范理论观点上的作用。夸克-规范理论对这些新现象的观察与基于前夸克世界观的观察有很大的不同，这些我们将在后文中予以详细说明。然而，即使撇开对高能物理学重要发展的具体说明这一点不论，科学家的描述也或多或少地挑明了这两种观察之间的关系。现在我就想来讨论这种关系，以便看清楚本书的处理在哪些地方与科学家的做法不尽相同。
在科学家眼里，实验被认为是理论的最高仲裁者。实验事实将最终决定哪一种理论会被接受，哪一种会被拒绝。例如，关于标度无关性、中性流和粲粒子的实验数据决定了夸克-规范理论图像比描述自然的其他理论更值得期待。但是对于这种观点，哲学上有两种著名而有力的反对意见，二者均暗示着实验结果不可能迫使科学家去选择一种特定的理论。4第一种意见认为，即使人们被迫接受实验所产生的明确事实，也还是存在这样一种情形，那就是选择一种理论并不完全取决于有限的实验数据。人们总能够提出一种理论，用来解释一组给定的事实。当然，这些理论中有许多似乎令人难以置信，但所谓可信性，指的是科学判断的作用：人们不认为竞争性理论的相对可信度会取决于那些所有理论都能很好地予以解释的实验数据。这种判断是理论选择内在固有的，它所包含的东西显然要比直接进行实验数据与理论预言的比较多得多。不仅如此，虽然原则上人们可以想象，一个理论有可能与所有有关的事实取得完美的一致，但科学史上似乎还从没有出现过这种情形。理论预言与实验数据之间总会有一些不一致的地方。因此人们必然会提出这样的判断：在表观的经验假象面前，哪一种理论更值得期待？
反对科学家的“实验握有最高判决权”观点的第二种意见认为，将实验结果看成是明确的事实这本身就大有问题。科学家观点的核心是认为实验仪器是一个“封闭的”、已得到充分理解的系统。正因为仪器在这个意义上是封闭的，因此它产生的任何数据必然会得到普遍的认同；如果每个人对实验如何进行有充分的了解，对它产生的结果意见一致，那么就不会出现争议。但真实的实验过程并非如此。我们最好还是将实验看成是一个“开放的”、不完全了解的系统，因此实验结果的报告是有可能出错的。这种可错性来源于两个方面。首先，科学家对实验结果的理解与仪器的工作原理有关。如果这些原理所基于的理论变了，那么对实验所产生的数据的理解也会随之而变。除此之外，实验观察的基础总是不完备的。为了给出有关的例子，我们不妨看看高能物理实验的情形。为了尽可能排除“背景”干扰，人们需要在高能物理实验的运行方面和对所取得的结果的解释方面倾注大量精力。“背景”在这里是指那些本身与实验预期的结果无关的物理过程，它们有可能对待查的现象形成干扰。自然，实验者需要尽最大努力来消除所有这类可能的背景干扰源，但从事实验科学研究的人都有这样的基本常识：不论采取什么措施，这种努力总有个止境。因此我们同样需要做出判断：如果消除之后剩余的背景干扰已不能解释所取得的信号，我们就认为这种消除已足够充分。原则上说，这种判断总是会受到质疑。持决定论观点的批评者总可以编出某种可能的理由来反对，因为实验者不可能排除掉所有的误差来源。5
于是，科学家的描述中往往表面上缺少对科学知识产生过程中所需做出的判断。这里说的判断既指将实验数据当作自然现象事实来接受的可行性，也指理论的可信性。但是这种缺失只是表面上的。科学家的描述是通过对这些判断的有效性进行追溯性审读来绕开给予明确判断这个问题的。我的意思是：像夸克这样的理论实体，以及像弱中性流这样的自然现象的概念化，首先是一种理论产物。它们是以科学家阐述的理论中的名词术语形式出现的。然而，科学家通常将这些概念性构件与其实在论意义上的性质等同起来，然后再以追溯的方式将这种等价性合法化，并在此基础上做出不矛盾的科学判断。因此，譬如像发现弱中性流的实验在科学家的描述中就呈现为一种封闭的系统，其所以封闭只是因为中性流被看作是真实的。反过来，那些曾被认为意味着中性流不存在的其他观察报告现在就被当作内含错误来对待。很明显，如果人们认可中性流的实在性，就必须如此。同样，通过将夸克等解释成真实的实体，夸克模型和规范理论所作出的选择似乎不成问题——如果夸克真的是世界的基本组成部分，人们何必再去探索其他替代理论？
大多数科学家将探索物质实在的基本结构视为他们追求的目标，因此他们按前述方式来看待科学发展的历史自有其合理的一面。6但从历史学家的角度来看，这种实在论的观点相当不可取。它有个很严重的缺点，就是它的回溯性。当人们已经确定了哪一种概念是真实的之后，他就只能诉诸理论概念的实在性来求得科学判断的合法化。而我们知道，对具体概念的实在性取得共识是历史过程的结果。这样，如果人们感兴趣的是这一过程本身的性质而不仅仅是其结论，那么求助于自然现象和理论实体的实在性只能是自己让自己下不了台。
如何在科学史的分析过程中摆脱这种回溯性？要回答这个问题，我们有必要根据科学活动中中介所处的地位来重新考虑对科学家描述的反对意见。在科学家的描述中，科学家们似乎并不是以真正的自然界代理人的角色出现的。科学家更像是自然界的被动的观察者：自然的实在性通过实验呈现出来；实验者的责任仅仅是报告他看到了什么；理论家们接受这样的报告，并为此提供明面上不矛盾的解释。人们很难感觉得到科学家在他们的日常实践中到底做了什么。鉴于在科学家的描述中根本就看不到中介的身影，因此我们只能将这种代理作用归到通过实验体现出来的自然现象本身，并且它以某种方式引导着科学的发展。从这个角度看，科学家的描述显得有些奇怪。将代理属性归于无生命的物质而不是人类行为，这不是一种通常可接受的概念。本书的观点则是将这种代理归属到人而不是现象：科学家创造自己的历史，他们不是被动的大自然的代言人。在历史学家看来，这种观点有两个好处。首先，既然科学家的工作就是发现自然的结构，那这项工作肯定不属于历史学家。历史学家处理文本，这种处理不是让他去接近自然的实在性，而是让他去探索科学家的活动——科学实践。7历史学家的方法适于探索在特定时期内科学家们都在做什么，而绝不是将自己引向夸克或中性流。其次，历史学家会注意到作为当代科学实践指针的文本，这使他们可以避免重蹈科学家回溯性表述的覆辙。通过这种方式，他可以从目前的角度出发而不是采用回溯性语言来尝试了解科学发展的过程以及它所带来的判断。当然，这要求他与那些将理论概念构件与其自然属性视为实在论意义上同一的观点保持距离。8
正是在这个地方，科学家描述与本书提供的描述之间显现出镜像对称关系。科学家通过自然界的状态来说明科学判断的合理性，我则试图借助于他们做出这些判断的文化背景来理解这些判断。我将采用历史学家的方法，将科学实践活动，而不是那些推定的、无法接近的理论概念构件，置于描述的中心位置。我的目标是根据研究实践的动态过程来诠释粒子物理学的历史发展，包括它所涉及的科学判断的模式。为了解释我是如何设法做到这一点的，我在这里先勾勒出高能物理发展的一些突出特点，并描述我用来分析这一发展的框架。9
基本粒子的夸克-规范理论观的确立并不是一蹴而就的。正如我们将看到的那样，它是围绕着如何探索和解释一系列自然现象而建立并成熟起来的一整套实验和理论研究传统的结果。这些传统形成于基本粒子夸克-规范理论图像的不同方面，并且随着它们在60年代末和70年代的成长而最终取代了物理实在的其他传统。从这个角度看，理解了夸克和规范理论是如何在高能物理共同体实践中建立起来的问题，也就理解了这些研究传统的动态过程。为了看清这一点，我们来考虑一种理想化的发现过程。
假设一组实验者打算调查某个现象的某种性质，而且科学界对这种性质的存在性已取得广泛共识。如果再进一步假设，当实验者对所取得的数据进行分析时，发现实验结果并不符合原先的预期。这样他们便面临如上所述的科学判断的问题——所有实验都具有潜在的易错性。他们到底有没有发现什么新东西呢，抑或是在实验过程或是实验解释方面漏掉了什么因素？单从对实验细节的详尽分析中是得不到这个问题的答案的。因为即使对实验过程和结果进行彻查，也还是存在某种未知误差的可能性。10现在假定一位理论家来到现场。他宣称，实验结果在他看来并不奇怪——这些结果是某种新现象的显现，这些现象在他最新的理论中处于的核心地位。理论的这种介入将为研究实践创立一套新的选择。首先，通过认定实验的意外发现是一种自然属性的显现而不是某种实验上的考虑不周，这种介入指明了下一步实验研究的方向；其次，由于新现象在理论框架下获得了概念上的说明，因此它对理论家意味着为进一步阐明原先的理论提供了一个开放的领域。
人们由此可以设想出各种后续的发展，但这个事例已足以概括两种极端情况。假设为了进一步探索新现象，进行了第二轮实验，而实验结果却是新现象踪迹全无。在这种情况下，人们就会对此前所谓的实验发现提出质疑，而理论家的猜想将再次被认为是基本上未得到经验支持的纯理论。相反，假设第二轮实验确实在某种程度上发现了新理论所预期的某些踪迹，那么在此情形下，人们会预料科学实在论开始起作用了。新现象将被视同自然的一种真实属性，原初的实验将被视同真实的发现，最初的理论猜想也会被看作对所观察到的现象给予解释的基础。不仅如此，人们会期望进行进一步的实验和理论研究，以便将这一开创性实验和理论成果系统化为我所说的研究传统。
研究传统的建立和成长的这一图像是非常形象的。它基本上为我们即将要检视的许多研究案例的历史发展树立了典型，因此我将就其某些细节做进一步讨论。我特别要探讨这种传统成长的条件。按目前所言，这种传统好像是自己在前行；好像后续研究是由研究本身的意志产生的。显然，下述图像是不充分的：研究传统的发扬光大完全取决于在其中工作的科学家的决定。这种认识缺乏一种理解如何做出这些决定的动态实践过程的框架。因此，我觉得必须给出这种动态过程的简单模型，它也阐明了我的历史观。这个模型可以冠之以“语境机会主义（opportunismin context）”。
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