2023年12月8日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心、北京物理學會主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第十八期）在beat365第二教學樓301教室舉行。中國科學院理論物理研究所研究員、beat365客座講席教授鄒冰松院士應邀講授“物質最微觀結構探尋”。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

世界是由各種物質構成的，那麼，物質又是由什麼構成的呢？人類在探索浩瀚宇宙的同時，從未放棄對物質世界微觀層面的探究。自從16世紀末制造出第一台顯微鏡，人類就不再為肉眼的局限所困；随着觀測工具的不斷進步，一次次突破對物質微觀結構的認知極限，對賴以生存的自然界的認識和理解也日益深刻。

物理學是研究物質、能量及其相互作用的學科；在其發展過程中，按照物質的存在形式、運動形式産生若幹分支，如天體物理、地球物理、大氣物理、凝聚态物理、等離子體物理、原子與分子物理、粒子物理與原子核物理等。作為人類探尋物質微觀結構的前沿，粒子物理（又稱高能物理）研究的是比原子核更深層次的物質結構、性質，以及物質之間相互作用、相互轉化的現象、原因和規律。

鄒冰松講述人類對物質微觀結構的不懈探尋

公元前4世紀，德谟克利特（Demokritos）提出原子學說，他認為物質由原子組成，原子是不可分割的最小粒子。17世紀初，道爾頓（J. Dalton）提出近代意義上的原子論，經過阿伏加德羅（A. Avogardo）、布朗（R. Brown）等人的努力，逐步建立起新的原子分子學說，即：物質由分子組成，分子由原子組成，原子則是用化學方法不能再分割的最小粒子。

自19世紀末以來，人類将目光投向更深層次的亞原子結構：1897年，湯姆遜（J. J. Thomson）發現了比原子質量小得多的帶負電的電子，提出原子的布丁模型（1906年獲諾貝爾物理學獎；以下除特殊說明之外，均指獲諾貝爾物理學獎）。1911年，盧瑟福（E. Rutherford）發現了帶正電的原子核，提出原子的核式結構模型（1908年因“對元素衰變及放射化學的研究”獲諾貝爾化學獎）。1913年，玻爾（N. H. D. Bohr）提出電子在原子核外的量子化軌道，解決了原子結構穩定性的問題（1922年獲獎）。1919年，盧瑟福發現了質子。1932年，查德威克（J. Chadwick）發現了中子，表明原子核由帶正電的原子核和不帶電的中子組成（1935年獲獎）。同年，安德森（C. D. Anderson）發現了正電子（1936年獲獎）。1955年，張伯倫（O. Chamberlain）和賽格雷（E. G. Segrè）發現了反質子（1959年獲獎）。

自然界中存在着四種基本作用，分别是引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。人類在研究原子核結構和中子衰變時，逐漸澄清了對強相互作用和弱相互作用的認知。1934年，湯川秀樹（H. Yukawa）提出可用來解釋核子相互作用的介子交換理論（1949年獲獎），費米（E. Fermi）提出可用來解釋中子衰變的四費米子相互作用理論（1938年獲獎）。上世紀60～70年代，格拉肖（S. L. Glashow）、薩拉姆（A. Salam）、溫伯格（S. Weinberg）建立起弱相互作用與電磁相互作用的統一理論（1979年獲獎），格羅斯（D. J. Gross）、普利策（H. D. Politzer）、維爾切克（F. Wilczek）提出描述強相互作用的量子色動力學理論（2004年獲獎），為粒子物理學中描述基本粒子及其相互作用的核心理論——标準模型奠定了基石。

鄒冰松講述科學家們對強相互作用的深入理解

強相互作用決定了原子核、強子兩個層次的微觀結構，也是基本粒子物理、宇宙天體演化物理的重要組成部分。鄒冰松講起一項項與強相互作用相關、具有裡程碑意義的研究工作，如數家珍、娓娓道來，幫助同學們梳理發展脈絡、汲取曆史智慧。

在實驗技術發展方面：1911年，威爾孫（C. T. R. Wilson）發明了雲霧室，使觀測帶電粒子的徑迹成為可能（1927年獲獎）。1932年，布萊克特（P. M. S. Blackett）發展了雲霧室技術，使大量宇宙射線中的粒子得以發現（1948年獲獎）。同年，考克羅夫特（J. D. Cockcroft）和沃爾頓（E. T. S. Walton）用人工加速粒子的方法引發核嬗變（1951年獲獎）。1952年，格拉澤（D. A. Glaser）發明了氣泡室，使研究更高能量的粒子成為可能（1960年獲獎）。上世紀50年代後期，阿爾瓦雷斯（L. W. Alvarez）發展了氣泡室技術，使大量共振态得以發現（1968年獲獎）。

在核力及原子核結構探究方面：1933年，魏格納（E. P. Wigner）發現核子相互作用在其相距很遠時非常弱，靠近時卻非常強（1963年獲獎）。1947年，鮑威爾（C. F. Powell）發現了參與核子相互作用的π介子（1950年獲獎）。1949年，梅耶（M. G. Mayer）和延森（J. H. D. Jensen）提出原子核的殼層結構（1963年獲獎）。上世紀50年代，玻爾（A. N. Bohr）、莫特森（B. R. Mottelson）、雷恩沃特（L. J. Rainwater）提出原子核的集體模型（1975年獲獎）。霍夫施塔特（R. Hofstadter）對電子-原子核散射進行開創性研究，發現了核子結構（1961年獲獎）。

在誇克及量子色動力學探究方面：1922年，斯特恩（O. Stern）用分子束方法證明了原子角動量的量子化（1943年獲獎）。1964年，蓋爾曼（M. Gell-Mann）提出誇克模型（1969年獲獎）。1974年，裡克特（B. Richter）和丁肇中（S. C. C. Ting）發現了J/Ψ粒子——第四種誇克（粲誇克）（1976年獲獎）。上世紀70年代，弗裡德曼（J. I. Friedman）、肯德爾（H. W. Kendall）、泰勒（R. E. Taylor）對電子-質子、電子-束縛中子的深度非彈性散射進行開創性研究，證實了誇克的存在（1990年獲獎）。1972年，小林誠（M. Kobayashi）、益川敏英（T. Maskawa）發現了對稱性破缺的起源，預測自然界至少存在三代誇克（2008年獲獎）。

物質最微觀結構的諸多未解之謎留待同學們去探究

強相互作用的研究前沿主要包括強子結構、極端條件下的核結構和高溫高密核物質。鄒冰松重點闡述了強子譜與強子結構的研究現狀。由于理論上的不确定性和實驗上的複雜性，尋找奇特強子态是粒子物理與原子核物理學科當前最具挑戰的前沿熱點，亟待揭示非淬火效應在強子結構和誇克禁閉機制中的重要作用。我國的強子物理研究起步于上世紀60年代層子模型理論的提出和系統研究，得益于90年代起北京正負電子對撞機（BEPC）上強子譜實驗研究的極大促進，經過幾代科學家的努力，跻身世界前列。2013年，我國科學家主導的北京譜儀實驗（BESIII）首次發現四誇克态；2015年，我國科學家對大型強子對撞機上底誇克實驗（LHCb）首次發現五誇克态做出突出貢獻；近年來，我國理論物理學家與大科學裝置上的前沿探索緊密結合，成為預見并指導一系列多誇克态發現的主要力量。

科學研究是沒有終點的旅程。鄒冰松用親身經曆鼓勵同學們，要在追求學術卓越的道路上攻堅克難、行穩緻遠，也莫忘在勇攀科學高峰的征途上邂逅靈感、領略風光。

鄒冰松（前排右三）、高原甯（前排右二）告訴同學們：對待科學研究，愛不覺累、樂此不疲

核物理與核技術國家重點實驗室楊振偉教授、馬文君教授等現場出席。