〔编者按〕这里的二篇文章，都是讲的物理学前沿。

《宇宙线和物理学的根本问题》是海森堡（W. Heiseuberg）去世前最后的一次讲演。海森堡的一些基本观点，在其他文章如“什么是基本粒子”中，已为人所熟知，但是在本文中表达得最清楚。

两年前，本刊选载过韦斯可夫（V. F. Weisskopf）的《科学的前沿》。现在，他在《当代物理学的前沿》中又概述了近年来的新发现及新见解，并描述了无序、表面、非线性等学科的生长点，较全面地介绍了物理学的现状。

内容简介：当历来使用的物理概念显示出其应用范围的局限性时，宇宙线研究增进了我们对物理学根本问题的理解。既然宇宙线中蕴含着小至基本粒子，大至宇宙的物质诸形态的信息，那么，它们在检验日常生活中的概念与这些概念在物理学中的意义的关系时，在引导物理学家发现新概念时，就特别有价值。

自从大约60年前发现宇宙线以来，它在物理学发展中起了异常重要的作用。从由外层空间来到地球的射线的最初迹象开始，到在宇宙线中发现高能粒子，发现具有意想不到的性质的新粒子，发现自然定律中新的根本对称性，以及最后，关于星际空间中的残余物质和磁场、关于那些可能产生宇宙线的过程的丰富而宝贵的信息，这是一段很有趣的历史。但是，我不打算追踪这段历史了。

我将力图把谈话限于那些被宇宙线知识的进展所触及或提出来的物理学根本问题。我在这次谈话中感兴趣的，正是物理学的这个非常特殊的领域与作为整个物理学基础的根本问题间的相互影响。三十年代初期，当宇宙线在本世纪物理学中最重要的发现（发现正电子）中起了主导作用时，这一相互影响就开始显示出来了。诚然，这一发现最初不是在宇宙线研究中得到的。狄拉克在他的电子理论中就曾预言了一种带正电荷的对应于电子的粒子，但其存在的第一个可信证据，却是由安德逊、勃拉盖脱和奥契阿利尼在宇宙线中发现的。在云雾室中光子产生了电子一正电子对，而这些粒子在穿过物质时，又产生了光子。这种簇射过程的第一批照片，毫无疑问地证明了正电子的存在和狄拉克理论的正确性。不久，在核过程（β衰变）中也发现了正电子。

关于这一发现的根本重要性，我还得说些话。直到那时，物理学家们或多或少还在不自觉地追随古希腊哲学家德谟克利特的哲学。当试把一片物质一再分割时，这一哲学臆测，最终将达到不能再行分割的物质的终极单元；所以，它就称为原子。这些原子作为不可分的，不可改变的物质单元，像积木一样，可以构成宇宙万物。并且，原子——或者如我们现在所谈的基本粒子——通过它们的相对位置和运动，将决定宇宙万物的可以看得见的性质。这整个看来似乎很有道理的图像，却被狄拉克的理论及其后果（正电子的发现）完全摧毁了。致命点倒并不在于发现了一种新的直到那时还是未知的粒子的存在——后来发现了很多新粒子，但对物理学的基础却并没有严重的后果——，而在于发现了一种新的对称性（粒子 - 反粒子共轭对称），它与狭义相对论的洛伦兹群，与能量和物质的相互转换密切相关。在非相对论物理学中，任何一种粒子的数目与能量和动量一样，是个运动常数。在相对论物理学中，粒子数就不再是个好量子数了。比如说，氢原子不再必定要由一个质子与一个电子组成，它可以由一个质子、两个电子和一个正电子所组成。虽则后一配置只对氢原子的完全波函数作了少许相对论修正而已。这种情况的一个后果是产生了猜测：两个粒子的高能碰撞可能产生一大堆新粒子，这种可能性只受到能量、动量、同位旋等等守恒定律的限制。而又是在宇宙线中，可以检验这个猜测。

实际上，在三十年代后期，勃罗〈Blau）与瓦姆巴恰（Wambacher）早就在安置于高空的照相底板中发现了所谓“星”，即有大量径迹从底板上同一点出发的事件。显然，原子核被入射的高能粒子所击中，而作为碰撞的结果，它又发射出一些不同的粒子。星形事件的解释并不简单，因为过程的开始可能是原子核中的某种“雪崩”现象，和大家熟知的电子 -正电子“雪崩”现象很相似，随后是原子核的某种“蒸发”现象。所以这些结果不能作为我所提及的那种猜测（仅只两粒子碰撞就产生了一大堆粒子）的直接证明。但是，随着岁月的流逝，宇宙线实验得到了改进，而十五年后，多粒子产生现象终于确凿地得到了认证。

这些结果意味着“分割”与“组成”这些概念的应用范围是有限的。正如相对论中的“同时性”概念或量子论中的“位置”与“速度”概念，只能在特定的限制下加以应用，而在不适当的地方不加批判地使用时，将失去它们的意义一样，“分割”与“组成”这样一些概念，也仅在特定的情形下才有确切的含义。当一个粒子可以用很小的能量使之分解成两个或更多的部分，而其静止质量与所使用的小能量相比显得很大时，这时，也只有这时，人们才可以说粒子是由这些部分组成的，它可以分解成这些部分。在所有别的情况中，“分割”或“组成”就没有确切的含义。而在两个粒子的高能碰撞中，实际发生的是从动能中产生新粒子。能量通过采取基本粒子的形式而变成了物质。但是，“基本”粒子与“复合”系统间的区别已经失去了确定的意义。粒子是物理系统“物质”的定态。**所有这些非常重要非常根本的结果，在宇宙线研究中有其实验基础。

宇宙线研究中另一个有意义的结果是尼特玛约（Neddermayer）和安德逊在1937年发现了μ子。这个东西起先被误认为就是汤川所预言的体现核子间强相互作用的粒子。但是很快就搞清楚了，μ子与质子、中子那样的重粒子的相互作用太小了，它不可能承担核内的强相互作用。相反，μ子似乎是个比电子重得多的兄弟，它与电子的不同仅在于它的质量较大。μ子的发现并不像正电子的发现那样，引起物理学基础的根本改变。但它在粒子谱系中揭示了一个有意义的特点。粒子谱系可以分为两个很少关联的项系：强子和轻子。这种很少关联的项系在原子光谱中是很熟悉的。但两个谱系的这种分裂的原因是否相同，还是一桩悬案。除了中微子以外，μ子是宇宙线中贯穿力最强的一部分，因此在决定作为大气层高度函数的宇宙线强度时，起着重要的作用。

我还要提一提另一个相当奇特的情况，其中μ子可以用来解决一个非常根本的问题。战前，相对论在我国还未为政界所接受，特别是在运动的物体中时间的延迟，更被斥为是荒唐的纯理论的臆测。甚至，还发生了关于是否可以在大学里教相对论的麻烦事。在一次这样的讨论中，我指出，μ子的衰变时间应当依赖于它们的速度，以近于光速运动的μ子必然比那些速度较慢的粒子衰变得更慢，这是相对论的预测。实验结果肯定了这个预言：时间延迟可以直接观察得到，而讲授相对论课程的道路扫清了，为此，我总是感谢μ子。

战后不久，鲍威尔在布里斯托尔发现了π介子。π介子在大多数宇宙线现象中起着非常重要的作用。这个东西满足汤川对体现强相互作用的粒子提出的所有条件；正如后来认识到的那样，它不是唯一的这类粒子，但是作为质量最轻的强子，马上在几乎所有很高能量的事件中都发现了它。此外，π介子衰变为μ子和中微子。所以，μ子的来源也得到了澄清。

像μ子一样，π介子并未引起物理学基础上的根本改变。它仅仅肯定了：各种粒子是系统物质的定态，通过它们在基本群的变换下的不同行为而区分开来。群比粒子更基本。

那时，除了相对论的洛伦兹群以外，只有同位旋群才算是基本的。同位旋群是1932年在核物理中发现的，但正是首先通过π介子，它的基本特征才被完全理解。π介子的宇宙线实验证明了，同位旋群是强相互作用中的严格对称性，只有电磁相互作用和弱相互作用才破坏这个对称性。这些结果可由下述假设得到解释：作为粒子谱的基础的自然定律，在同位旋变换下严格不变，对这个对称性的偏离，来自反对称的、简并的基态。类似的情况在固体的量子力学中也是很熟悉的。

几乎和π介子同时，其它一些质量比π介子重、且行为有些“奇异”的粒子也在宇宙线中发现了。它们的寿命相当长，数量级为秒，所以它们的径迹可以在云雾室或照相乳胶中观察到。但是，如果只考虑已知的对称性和对应的量子数（重子数、同位旋、角动量），就只能预期它们的寿命应该很短，而无法理解这个长寿命，所以它们的行为是奇异的。1952年，佩斯（Pais）引入了新的叫作奇异数的量子数和相应的对称性（或变换性质），从而对此作出了正确的解释。于是，宇宙线研究又引入了一个新的对称性；而正如我先前提及的那样，既然群比粒子更重要，这对物理学根本问题又是一个具有非常本质意义的贡献。

那时，物理学家们普遍认为：如果寿命非常短的东西可以设法观察到，那就可以发现更多的粒子。粒子无非是系统物质的定态，因此，人们必定会期望有很多不同的粒子，其中大多数的寿命很短。这样的客体仅能作为所谓共振态而被观察到，而为此就需要有比宇宙线观察所能提供的更好的统计。对粒子物理学家说来幸运的是，那时第一批大型加速器建成并投入了运转，其中有布鲁克海文的Cosmotron加速器，伯克莱的Bevatron加速器和日内瓦的欧洲原子核研究中心（CERN）的质子同步加速器。所以，很长一段时期以来，粒子物理中的重要结果是靠大型加速器而得到的。至于宇宙线研究，则把注意力转向天体物理学问题。这个发展是不可避免的。但它并不总能满足粒子物理学家们的愿望，这是一个令人悲哀的变化。

浪漫时期过去了。在那个时期，高山实验中研究云雾室照片可以和滑雪与登山相结合；或者，正像我们的意大利朋友所从事的，实验气球可以从地中海美丽的岛上由意大利海军的飞机和军舰放出。地中海温暖的太阳肯定对于实验的科学成就作出了贡献。但是，这个快乐的时期现在已经过去了。粒子研究必须在巨大的加速器装置的干巴巴的气氛中进行。

在天体物理学中宇宙线成为一个有价值的新工具，它使人们有望获得那种从星体的可见光或红外光中得不到的信息。首要问题当然是宇宙线的起源。福布施（Forbush）早已认识到，宇宙线的某些低能部分偶尔也由太阳、由它表面的某些湍流现象所发射。但是很快就认识到，对宇宙线起源问题的确切的答复，要求我们对星际的等离子体中，我们的行星系统中（这里我可以提醒你们皮尔曼（Biermann）最早讨论过的太阳风），银河系中，最终在河外空间中的电磁场具有透彻的了解。这些领域的研究成为近年来天体物理学的中心部分。借助于宇宙线，得到了不少信息。关于它的起源，现在的一般意见认为，好像是超新星及其遗骸——脉冲星构成了高能宇宙线的主要来源。但我不想谈论天体物理学的细节问题，而宁愿返回我的首要问题：宇宙线在什么地方触及了物理学的根本问题？

我刚才提到了脉冲星，它属于迄今观察到的密度最高的星体。它们的物质密度可与原子核的密度相比较。通过引力它们结合在一起。这样的星体提出了两个根本问题；一个涉及引力与物质间其他相互作用力的关系，另一个涉及脉冲量中的物质或密度更高的物质的状态方程。但在我谈这些问题以前，我想先提一下，（即使在大型加速器时代）宇宙线研究对粒子物理学中非常重要的问题所作的一些有价值的贡献。

宇宙线粒子的能量高达1019 eV。显然，至少在最近的将来，加速器不可能达到这样高的能量。因此，粒子在这样极端高的能量时的碰撞行为，只可能在宇宙线中加以研究；即使低强度和蹩脚的统计妨碍了精确的结果也罢，提出的问题是簇射的截面或别的特性在这个极端高的能量区域内如何随能量而改变？存在不存在一个能量远高出通常粒子或共振态的能量的高能渐近区，在那儿，不可能发现或期望更奇异的新事件或戏剧性的改变？关于这个问题，从宇宙线中得到的信息尽管只是些笼统的指示，但它仍然刺激了理论研究，这种研究在二十多年前就已导致下述猜测：任何高能强子碰撞的总截面应随能量的对数的平方增长。因此，应该有一个渐近区；但在这个区域中的总截面不应该是常数，而应该对数地增长。CERN贮存环和巴达维亚加速器的最新实验证实了这种猜测。看来渐近区从质心系10 GeV数量级的能量上开始，一直延续到CERN贮存环的质子 - 质子碰撞中的50 GeV. 至于巴达维亚加速器所作的基本贡献，则是下述结果：对数增长也可在π介子或k介子与质子的碰撞中观察到。这是个有利于下述假设的很强有力的论据：有一个一般的渐近区，并且，它已经在上述这些实验中达到了。为了理解这个渐近区，只要把粒子描述为连续物质的近于球状的云就够了，而不必涉及任何云由之组成的粒子。这是令人满意的，因为“组成”这个词，一般说来，在粒子物理学中已经失去了它的意义。

近十年来，另一个问题吸引了粒子物理学家们的注意。我们知道，SU（3）群作为近似对称性，在粒子谱中发挥了作用。它的最简单的表示是三维表示，因此可以期待，相应于这个表示有三个粒子。这些粒子的电荷是基本电荷的三分之一或三分之二，它们叫夸克。然而这样的粒子在大型加速器的实验中从来没有找到过。有人据此提出：夸克可能相当重，通过很大的结合能保持在一起，所以现有的加速器不足以把它们分开。在这个问题上，宇宙线显得极为有用：因为宇宙线中的初始能量可以比大型加速器中粒子的最大能量大上几千倍或更多。但即使在宇宙线中，也从来没有找到过夸克，这个事实是不利于认为存在夸克的一个非常强有力的论据。如果这是最终的结果，那么要我给“质子由三个夸克组成”这一命题以确切的意义，看来就很困难了。因为无论“组成”这个词或“夸克”这个词都没有什么确定的意义。怎么可能对这样的句子作出解释呢？对别的已经预言而尚未被发现的粒子，如ω介子、部分子、胶子、磁单极子、粲粒子，同样的怀疑也是正当的。如果既不能在大型加速器中又不能在宇宙线中观察到它们，那就很难说它们在唯象描述中是个好概念。这里我们又遇到了在量子力学中早已熟悉的情况。我们的正常语言诱使我们提出没有意义的问题：如“什么是电子绕原子核运动的轨道？”由于测不准关系的缘故，无论是“轨道”这个词或“运动”这个词都没有确定的意义；因此，这个问题毫无意义。

这就引导到一个与宇宙线中的经验密切相关的中心问题。但在讨论经验方面以前，我想先解释一下它在粒子物理学和一般地在物理学中的根本重要性。

从最近几十年的实验中，我们得知，不同的粒子恰好是系统物质的不同定态，它们用量子数来表征，或者，如果你喜欢的话，可以用它们在基本群作用下的变换性质来表征。从理论上理解粒子物理学，其意义只能是指对粒子谱系的理解。铁原子光谱中单独的一条谱线是无法理解的，但是整个谱系就可以理解了，它可以归结为一个包含有铁原子核和二十六个电子的系统的薛定谔方程。

从经典物理和量子力学中人们已经熟悉了谱系的理论解释的基本要点。我们可以想一想弦的弹性振动，谐振腔内的电磁振荡，或原子（如铁原子）的定态。在所有这些场合，我们首先需要精确陈述系统的动力学性质，然后我们还必须加上特殊的边界条件。对于弦来说，弦的弹性和动力学性质的精确的数学表述是第一步；然后，通过说明弦固定在什么地方，就能够计算出振动谱。对于谐振腔中的电磁振荡来说，麦克斯韦方程确定了系统的动力学性质，而边界条件则由腔的形状给出。因为问题很复杂，所以通常不可能精确地算出整个谱系；但对最低的振动，可以得到很好的近似。至于铁原子的动力学性质，则由量子力学，即薛定锷方程来确定。由波函数在无限远处为零这个补充条件，定态就定下来了。如果把原子关在一个小盒子里，则定态自将有所不同。

从这些类比出发，事情很清楚：理解粒子谱系的首要条件是物质动力学的精确的数学表述。显然，粒子这个词不应该进入这一表述。因为粒子是其后通过把系统物质的动力学和边界条件结合起来而加以定义的；粒子只是理论中的次级结构。在宇宙中我们周围的粒子谱系很可能与高密度的中子星内部的粒子谱系不一样，因为两者的边界条件不同。从这里，你们可以看出物质动力学的根本重要性和领会我们该如何把握它的数学表述所引起的问题。

既然粒子概念在这里没有用，那动力学定律的群性质必然起决定性的作用。例如弦振动的动力学定律在时间平移、沿着弦的位置平移和围绕弦的转动下是不变的。通过边界条件，第二个不变性破坏了。一般地，第三个不变性是不破坏的。对于谐振腔内的电磁振荡来说，动力学定律在全洛伦兹群下是不变的：不变性部分地为边界条件所破坏。

对于物质的动力学来说，某些基本的不变性是已知的：洛伦兹群和同位旋群〔SU（2）群〕、标度群可能也应该列入根本不变性之中，但我不打算深入动力学定律的这些对称性的细节。我宁可回过来谈宇宙线。宇宙线，或更一般地，天体物理学的研究，怎么可能对我们关于物质动力学的知识作出贡献呢？

先谈因果性。从色散关系我们知道，物质间的相互作用遵循因果律。这一陈述的严格的数学表述也许还不完全知道，但是我们有充分理由可以相信，就像在量子电动力学中那样，相互作用可以作为定域相互作用而表述出来。非定域的库仑力与这个陈述也相协调。从这一情况出发，似乎就有可能通过对极高密度物质的研究给出关于这一定域相互作用，从而也给出关于物质的动力学的最直接的信息。

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中子星的密度与原子核的密度同一数量级。达到了这样高的密度，说原子核由一些核子组成仍然有其意义，是因为少量的能量——比原子核的静止质量小——就足以把质子或中子从原子核中打出来。核子在原子核中仍然互相离开得相当远，以至它们的相互作用能量和它们的静止质量相比还是小的。在中子星中也是一样，所以仍有可能去估计这样的星体物质的状态方程。然而，如果密度大大升高——比如，在由于引力而坍缩的质量较大的星体中——则星体由什么粒子组成的问题就没有确切的意义了。粒子可以占有的空间将比它的正常体积为小，所以它无法拥有它的正常质量；而相互作用是那么强，以致粒子一般地不在它们的质量壳上。换句话说，人们只能谈论所有粒子的混合，更合理地，是谈论连续物质。正是这个连续物质的动力学行为，才是粒子物理学中的根本问题。

如果能得到不仅关于中子星，而且特别是关于更高密度的星体中的状态方程的更多的信息的话，这对理解物质的动力学行为将有极大的重要性。我不能判断在宇宙线或在更广阔的天体物理学领域中的观察是否将对此有较大的帮助，我只是希望强调一下问题的重要性。

宇宙线中还有另外一个特殊领域，在那里，物质的动力学问题可以从完全不同的方面得到处理。如果两个能量极高的粒子互相碰撞，那么在碰撞的第一瞬间，就会出现有小圆盘状的密度极高的物质，它随后爆炸，通过减低密度，最后分解为很多粒子。这是人们熟悉的多粒子产生过程。当然，碰撞粒子的能量越高，也就越有意思。如果原始的宇宙线粒子有10⁶Gev的能量，那碰撞中的最初圆盘的密度将比中子星的密度大几千倍。

所以，这样极端高能的宇宙线簇射行为的研究将会给物质动力学以极有价值的信息，在这方面，欧洲原子核研究中心（CERN）的贮存环和巴达维亚的加速器，似乎已经达到或至少逼近了渐近区域，这是令人感到鼓舞的。对于在这个渐近区中碰撞的开始阶段来说，可以简单地把原始粒子描述为连续物质的云团，其密度在表面上指数下降。这个模型说明了总截面随着能量递增而作对数增大。我还要指出，高密度星体和非常高能的粒子碰撞后产生的圆盘这两种实验间的特征差别。在第一种情况，引力起了重要作用，而在第二种情况，引力并不重要。所以两种实验可以给出两类不同的有关信息。

在回过头来总结我谈话开始时所提及的一般问题时，我也许应该说，在整个物理学领域中，宇宙线的特殊作用在于两件事实。宇宙线包含了物质在最小尺度中的信息，而且它对于我们对宇宙（最大尺度的世界）结构的知识也作出了贡献。对这两个极端，人们都无法进行直接观察，而只有通过非常间接的推理才能对之进行研究。在这方面，日常生活中的概念必须代以相当抽象的新概念；只有在这种情况下，我们才会懂得，如“极端”或“无限”这样的词，对自然说来，意味着什么。在这个意义上，宇宙线——不管在实验类型上有任何改变——仍然可以称为非常浪漫、非常令人鼓舞的科学。

〔Naturwissenschaften 1976 2月号〕

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*1975、8、18在慕尼黑举行的第十四届国际宇宙线会议上的讲演。（因海森堡有病，讲稿由R. 吕斯脱宣读。）

**这是海森堡的一个基本命题。在物质一词上打上引号，意在与唯物主义的物质范畴划清界线，指明物质无非是物理学家进行研究的一种特定形式的物理系统而已，这只是能量这个更基本、更广泛的范畴的一种特定的表现形式，而绝不是第一性的、最高的、本原的范畴。本文后面及“什么是基本粒子”一文中经常使用不易理解的“系统物质”（system matter）等字样，实际上只是这里使用的“物理系统‘物质’”（Physical system “matter”）的简写形式。其中的物质一词有时虽未打上引号，但其含义毫无二致。〔译者注〕