2023年12月8日晚，由北京大学物理学院、北京现代物理研究中心、北京物理学会主办的“北京大学物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第十八期）在北京大学第二教学楼301教室举行。中国科学院理论物理研究所研究员、北京大学客座讲席教授邹冰松院士应邀讲授“物质最微观结构探寻”。本期讲堂由北京大学物理学院院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

世界是由各种物质构成的，那么，物质又是由什么构成的呢？人类在探索浩瀚宇宙的同时，从未放弃对物质世界微观层面的探究。自从16世纪末制造出第一台显微镜，人类就不再为肉眼的局限所困；随着观测工具的不断进步，一次次突破对物质微观结构的认知极限，对赖以生存的自然界的认识和理解也日益深刻。

物理学是研究物质、能量及其相互作用的学科；在其发展过程中，按照物质的存在形式、运动形式产生若干分支，如天体物理、地球物理、大气物理、凝聚态物理、等离子体物理、原子与分子物理、粒子物理与原子核物理等。作为人类探寻物质微观结构的前沿，粒子物理（又称高能物理）研究的是比原子核更深层次的物质结构、性质，以及物质之间相互作用、相互转化的现象、原因和规律。

邹冰松讲述人类对物质微观结构的不懈探寻

公元前4世纪，德谟克利特（Demokritos）提出原子学说，他认为物质由原子组成，原子是不可分割的最小粒子。17世纪初，道尔顿（J. Dalton）提出近代意义上的原子论，经过阿伏加德罗（A. Avogardo）、布朗（R. Brown）等人的努力，逐步建立起新的原子分子学说，即：物质由分子组成，分子由原子组成，原子则是用化学方法不能再分割的最小粒子。

自19世纪末以来，人类将目光投向更深层次的亚原子结构：1897年，汤姆逊（J. J. Thomson）发现了比原子质量小得多的带负电的电子，提出原子的布丁模型（1906年获诺贝尔物理学奖；以下除特殊说明之外，均指获诺贝尔物理学奖）。1911年，卢瑟福（E. Rutherford）发现了带正电的原子核，提出原子的核式结构模型（1908年因“对元素衰变及放射化学的研究”获诺贝尔化学奖）。1913年，玻尔（N. H. D. Bohr）提出电子在原子核外的量子化轨道，解决了原子结构稳定性的问题（1922年获奖）。1919年，卢瑟福发现了质子。1932年，查德威克（J. Chadwick）发现了中子，表明原子核由带正电的原子核和不带电的中子组成（1935年获奖）。同年，安德森（C. D. Anderson）发现了正电子（1936年获奖）。1955年，张伯伦（O. Chamberlain）和赛格雷（E. G. Segrè）发现了反质子（1959年获奖）。

自然界中存在着四种基本作用，分别是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。人类在研究原子核结构和中子衰变时，逐渐澄清了对强相互作用和弱相互作用的认知。1934年，汤川秀树（H. Yukawa）提出可用来解释核子相互作用的介子交换理论（1949年获奖），费米（E. Fermi）提出可用来解释中子衰变的四费米子相互作用理论（1938年获奖）。上世纪60～70年代，格拉肖（S. L. Glashow）、萨拉姆（A. Salam）、温伯格（S. Weinberg）建立起弱相互作用与电磁相互作用的统一理论（1979年获奖），格罗斯（D. J. Gross）、普利策（H. D. Politzer）、维尔切克（F. Wilczek）提出描述强相互作用的量子色动力学理论（2004年获奖），为粒子物理学中描述基本粒子及其相互作用的核心理论——标准模型奠定了基石。

邹冰松讲述科学家们对强相互作用的深入理解

强相互作用决定了原子核、强子两个层次的微观结构，也是基本粒子物理、宇宙天体演化物理的重要组成部分。邹冰松讲起一项项与强相互作用相关、具有里程碑意义的研究工作，如数家珍、娓娓道来，帮助同学们梳理发展脉络、汲取历史智慧。

在实验技术发展方面：1911年，威尔孙（C. T. R. Wilson）发明了云雾室，使观测带电粒子的径迹成为可能（1927年获奖）。1932年，布莱克特（P. M. S. Blackett）发展了云雾室技术，使大量宇宙射线中的粒子得以发现（1948年获奖）。同年，考克罗夫特（J. D. Cockcroft）和沃尔顿（E. T. S. Walton）用人工加速粒子的方法引发核嬗变（1951年获奖）。1952年，格拉泽（D. A. Glaser）发明了气泡室，使研究更高能量的粒子成为可能（1960年获奖）。上世纪50年代后期，阿尔瓦雷斯（L. W. Alvarez）发展了气泡室技术，使大量共振态得以发现（1968年获奖）。

在核力及原子核结构探究方面：1933年，魏格纳（E. P. Wigner）发现核子相互作用在其相距很远时非常弱，靠近时却非常强（1963年获奖）。1947年，鲍威尔（C. F. Powell）发现了参与核子相互作用的π介子（1950年获奖）。1949年，梅耶（M. G. Mayer）和延森（J. H. D. Jensen）提出原子核的壳层结构（1963年获奖）。上世纪50年代，玻尔（A. N. Bohr）、莫特森（B. R. Mottelson）、雷恩沃特（L. J. Rainwater）提出原子核的集体模型（1975年获奖）。霍夫施塔特（R. Hofstadter）对电子-原子核散射进行开创性研究，发现了核子结构（1961年获奖）。

在夸克及量子色动力学探究方面：1922年，斯特恩（O. Stern）用分子束方法证明了原子角动量的量子化（1943年获奖）。1964年，盖尔曼（M. Gell-Mann）提出夸克模型（1969年获奖）。1974年，里克特（B. Richter）和丁肇中（S. C. C. Ting）发现了J/Ψ粒子——第四种夸克（粲夸克）（1976年获奖）。上世纪70年代，弗里德曼（J. I. Friedman）、肯德尔（H. W. Kendall）、泰勒（R. E. Taylor）对电子-质子、电子-束缚中子的深度非弹性散射进行开创性研究，证实了夸克的存在（1990年获奖）。1972年，小林诚（M. Kobayashi）、益川敏英（T. Maskawa）发现了对称性破缺的起源，预测自然界至少存在三代夸克（2008年获奖）。

物质最微观结构的诸多未解之谜留待同学们去探究

强相互作用的研究前沿主要包括强子结构、极端条件下的核结构和高温高密核物质。邹冰松重点阐述了强子谱与强子结构的研究现状。由于理论上的不确定性和实验上的复杂性，寻找奇特强子态是粒子物理与原子核物理学科当前最具挑战的前沿热点，亟待揭示非淬火效应在强子结构和夸克禁闭机制中的重要作用。我国的强子物理研究起步于上世纪60年代层子模型理论的提出和系统研究，得益于90年代起北京正负电子对撞机（BEPC）上强子谱实验研究的极大促进，经过几代科学家的努力，跻身世界前列。2013年，我国科学家主导的北京谱仪实验（BESIII）首次发现四夸克态；2015年，我国科学家对大型强子对撞机上底夸克实验（LHCb）首次发现五夸克态做出突出贡献；近年来，我国理论物理学家与大科学装置上的前沿探索紧密结合，成为预见并指导一系列多夸克态发现的主要力量。

科学研究是没有终点的旅程。邹冰松用亲身经历鼓励同学们，要在追求学术卓越的道路上攻坚克难、行稳致远，也莫忘在勇攀科学高峰的征途上邂逅灵感、领略风光。

邹冰松（前排右三）、高原宁（前排右二）告诉同学们：对待科学研究，爱不觉累、乐此不疲

核物理与核技术国家重点实验室杨振伟教授、马文君教授等现场出席。