摘要：作为20世纪最具影响力的物理学家之一，杨振宁先生与普林斯顿有着深厚的学术渊源。1949年，在费米和泰勒的推荐下，杨振宁加入普林斯顿高等研究院，与奥本海默、泡利等物理学家共事，孕育出影响深远的成果。杨振宁后来回忆道：“我在普林斯顿高等研究所前后待了17年，这17

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Editor's Note

著名理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁先生于2025年10月18日逝世，享年103岁。

作为20世纪最具影响力的物理学家之一，杨振宁先生与普林斯顿有着深厚的学术渊源。1949年，在费米和泰勒的推荐下，杨振宁加入普林斯顿高等研究院，与奥本海默、泡利等物理学家共事，孕育出影响深远的成果。杨振宁后来回忆道：“我在普林斯顿高等研究所前后待了17年，这17年是我一生中研究工作做得最成功的17年。”

1957年，杨振宁先生获颁诺贝尔物理学奖。两年后，他受邀在普林斯顿大学为 Vanuxem Lectures系列做演讲，系统回顾了基本粒子发现的思想脉络。普林斯顿大学出版社随后将这组讲座整理出版，书名为 Elementary Particles: A Short History of Some Discoveries in Atomic Physics。

杨振宁希望通过此书，让没有物理专业背景的读者也能理解物理研究的精神与美。他在前言中写道：“我试图用简明的语言，描绘过去六十年间科学家在探索物质结构领域的重要思想与发现，让具有一般科学兴趣的听众理解研究的脉络与精神。”他还指出，任何科学观念“只有放在其产生与发展的知识背景中才能被充分理解”。这也是他获得诺贝尔奖后发表的首部物理科普著作。

尽管 Elementary Particles 的初版已绝版，但如今该书通过普林斯顿经典回溯丛书 (Princeton Legacy Library) 项目重新出版。该项目利用最新的按需印刷（Print-on-Demand）技术，将PUP自1905年成立以来、数千本已绝版的书籍重新发行，保持原始文本的完整性，为学者和读者提供了宝贵的历史和学术资源。也让像杨振宁著作这样的重要思想成果跨越时间，再度激发新一代读者的思考。

*本篇推送节选自 Elementary Particles 中文版《杨振宁讲物理——基本粒子发现之旅》，谨以此纪念杨振宁先生，感谢公众号“图灵新知”授权转载。

物理学的黎明时期

在 19 世纪末 20 世纪初，物理学明显进入了一个新时代的黎明时期。不仅经典力学和法拉第 – 麦克斯韦（Faraday-Maxwell）电磁理论的辉煌成就已经使经典的宏观物理学时代结束，而且各方面都出现了新的现象、新的疑难、新的激动和新的预见。

阴极射线、光电效应、放射性、塞曼（Zeeman）效应、X 射线以及里德伯（Rydberg）的光谱谱线定律都是当时的新发现。当然，在那个时候还很难预测这个新时代究竟将包含些什么内容。

除此之外，人们对于电可能具有的原子结构也进行过很多讨论。但是要知道，虽然在很久以前就已经有人设想关于物质原子结构的概念，但是这种设想不能被载入科学著作中去，因为除非有定量的实验证据，否则没有任何一种哲学性的讨论能够作为科学的真理来加以接受。

比如晚至 1897 年，19 世纪后半叶物理学界中的一位大师开尔文勋爵（Lord Kelvin）仍旧写道：“电是一种连续、均匀的液体”（而不认为它具有原子结构）的意见还值得加以谨慎考虑。

在同一年，汤姆孙（J. J. Thomson）完成了他的著名实验。在他测定了阴极射线的电荷量和质量的比值 e/m 以后，上述考虑就不再是必要的了。这里我必须给你看一下图 1 —— 这张庄严的半身像描绘的正是这位最先打开基本粒子物理学大门的伟人。这张图片是根据他的著作《回忆与思考》（Recollections and Reflections）中的图复制的。

图 2 展示了汤姆孙所使用的仪器。图 3 是该仪器的简图。从阴极 C 发出的阴极射线，穿过用来将阴极射线限制成为细束的狭缝 A 和 B，然后再穿过金属板 D 和 E 之间的空间，最后在管子右端带有标尺的屏上被加以观察。将金属板 D 和 E 充电，会引起细束向上或向下偏转。偏转的方向说明细束带负电荷。

然后在金属板 D 和 E 之间，再用图 2 所示的线圈加上一个方向和书的平面垂直的磁场。可以观察到，磁场也使细束产生了向上或向下的偏转，而且和它带有负电荷时相符。通过平衡抵消由电场和磁场产生的偏转，就能够计算细束的速度。

然后，从电场或磁场单独产生的偏转幅度，可以计算出细束组成部分的电荷量和质量的比值 e/m。

说起来比做起来容易得多

也许有人会问：为什么看起来这么简单的一个实验，以前竟然没有人做过？汤姆孙本人在后来所写的文章中回答了这个问题 ：

我使一束阴极射线偏转的第一次尝试，是使它通过固定在放电管内的两片平行的金属板之间的空间，并且在金属板之间加上一个电场，结果没有产生任何持续的偏转。

然后他解释了他所猜想的困难的根源：

根据这种看法，偏转之所以没有出现，是因为有气体存在——气压太高——因此要解决的问题就是如何获得更高的真空度。这一点说起来比做起来容易得多。当时高真空技术还处于发轫阶段。

事实上，电磁波的发现者、物理学家赫兹（H. Hertz）以前也做过同样的实验，并且错误地得出了这样的结论：阴极射线是不带电的。这段插曲清楚地表明了一个基本事实：技术的改进和实验科学的进展是相辅相成的。我们以后还会遇到这个基本真理的更多例证。

汤姆孙求得的阴极射线的荷质比，比在电解过程中测定的离子的相应数值要大得多，它们之间相差达几千倍。汤姆孙断定阴极射线是由质量比离子小得多的粒子所组成的，而且它带有负电荷。他称这种粒子为“微粒”，并称它所带的电荷——代表电荷的基本单位——为“电子”。不过，在后来人们所惯用的名词中，该粒子本身就被称为“电子”。这样便诞生了被人类所认识的第一种基本粒子。

几乎与此同时，汤姆孙和他的学生们在其他实验中也近似地测定了离子所带电荷 +e 的数值。汤姆孙于是对原子结构这样一个基本问题进行了探讨，并且提出了如下的假设：一个原子包含 Z 个电子，每个电子带有电荷 –e，以平衡位置埋置在连续分布、总量为 +Ze 的正电荷中，形成一个不带电的原子。

原子的质量存在于分散的正电荷中。由于电子很轻，因此很容易受到扰乱。当受到扰乱时，电子就围绕着平衡位置振荡，并由此产生辐射。

图 4是汤姆孙于 1903 年在耶鲁大学做西列曼讲座（Silliman Lectures）时所画的一张包含 3 个电子的原子图。在假定正电荷呈均匀的球形分布后，汤姆孙计算了电子的振荡频率，并断定它们就是在光谱中所观察到的频率。利用这个方法，他得出了非常准确的结论：原子的半径约为10⁻⁸厘米。

卢瑟福的发现

下一个主要的进展来自 1911 年卢瑟福勋爵（Lord Rutherford）对于 α 粒子穿过薄箔的研究。α 粒子是在天然放射现象中发现的，在 1911 年前后，人们就已经知道它是带有电荷 +2e、质量为氢原子 4 倍的粒子。

汤姆孙在这之前指出，由于下列理由， α 粒子穿过他所假想的原子时的路径多半是一条直线：（i）与电子相比，α粒子的质量很大，因而将不受电子影响而产生偏转；（ii）在原子中，正电荷具有分散分布的性质，因而它们对α粒子的影响也很微弱。

因此，一个汤姆孙原子不能使α粒子产生大角度偏转。卢瑟福断定，由于薄箔很自然地包含许多原子，因此α粒子穿过薄箔后所产生的任何大角度偏转，将是许多同方向小角度偏转的统计巧合。

和这一类统计涨落的通常情况一样，大角度偏转的偏转角的分布应遵循高斯误差曲线，并且偏转的均方根角应与α粒子和原子相遇次数的平方根，或与薄箔厚度的平方根成正比。

卢瑟福指出，这两个结论都与当时已有的实验数据不符。因此，他又提出另外一种假设：原子中的正电荷集中在一个很小的区域中。

事实上，从实验数据可以推断，这个区域的直径一定小于10⁻¹²厘米。这就是著名的卢瑟福原子图像，它由一个带有电荷 +Ze 的小核和 Z 个围绕着核的电子所组成。

一年之后，他的学生盖革（H. Geiger）和马斯登（E. Marsden）为这种原子图像给出了出色的实验证据。

卢瑟福的发现令当时的物理学家和化学家感到振奋。当时，汤姆孙正在剑桥大学的卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory），而卢瑟福则在曼彻斯特大学。之后，玻尔（N. Bohr）于 1930 年在他的法拉第讲座（Faraday Lectures）中讲道：

对于每一个像我这样有幸在二十多年前访问过剑桥大学和曼彻斯特大学的物理实验室，并且在一些伟大的物理学家的启示下工作的人来说，几乎每天都亲眼看到前人所不知道的自然界事物被揭露，这是一种永远难忘的体验。

我记得，1912 年春天在卢瑟福的学生中展开的，对于原子核的发现所展示的整个物理和化学科学前景的热烈讨论，犹如发生在昨天。首先我们意识到，原子的正电荷局限在实际上无限小的区域内，这将使物质性质的分类被大大地简化。

事实上，这样我们就可能认识到在那些完全取决于原子核总电荷和质量的原子性质，与那些直接依赖于原子核内部结构的原子性质之间的深远区别。根据经验，放射性是后一类性质的典范，它与物理和化学条件无关。

物质通常的物理和化学性质，主要取决于原子的电荷和质量，也取决于原子核周围的电子组态。原子对外界影响的反应就是由这种电子组态所决定的。

此外，在一个孤立而不受外界影响的原子中，这种电子组态几乎全部由原子核的电荷所决定，和原子核的质量关系不大。与电子的质量相比，原子核的质量是如此巨大，以至于和电子的运动相比，作为一级近似，原子核的运动可以忽略不计。

从带核的原子模型得出的这些简单推论，确实提供了对于下列事实的直接说明：两个原子量不同而且放射性质也截然不同的元素，可能在其他性质方面是如此相似，以至于不能通过化学方法将它们分离开来。

在同一讲座的较后部分，他又讲道：

总结这一情况，我们可以说，在涉及物质的一切普通性质的相互联系方面，卢瑟福的原子模型摆在我们面前的任务使我们追忆起哲学家古老的梦想：将对自然规律的解释还原为对纯粹的数的考虑。

也就是在这样一种充满着新的发现所引起的激动，以及期待更基本、更有普遍意义的发现来临的气氛中，玻尔提出了著名的氢原子理论。

本文转自公众号 | 普林斯顿读书汇

来源：再建巴别塔