介子早就不叫“重电子”了
|作者： 姬 扬 (中国科学院半导体研究所）
本文选自《物理》2021年第9期
中国科学院理论物理研究所刘寄星老师前不久告诉我，根据科学出版社反馈，河北师范大学杨大卫教授对2019年出版的《物理学名词(第三版)》(图1)提出一条更正。指出词条“介子”(图2)中写有“又称重电子”不对，有误导读者之嫌，应当删去。刘老师提到这个词条确实需要修正：在20世纪30—40年代的科学论文中，是有把介子称为重电子的，后来不这样叫了；再往后，固体理论深入发展，重电子这个名称又时兴了起来，特指有效质量大于电子质量的电子。现遵刘老师嘱，写就此短文，尽可能说明我对介子与重电子之理解。
01
《物理学名词》
“名不正则言不顺，言不顺则事不成。”所以孔子说：“必也正名乎！”科学技术名词是科技研究特别是科学交流中不可缺少的一部分，而中国的科技研究在很大程度上来自于对西方科技的学习和发展，科技名词的审定和统一当然就具有非常重要的意义。物理学名词也不例外。
《物理学名词》由物理学名词审定委员会编撰，由全国科学技术名词审定委员会审定公布，第三版在2019年由科学出版社出版[1]。内容包括前言、正文和附录三个部分。
正文总计14426条物理名词，分为11个方面：01通类，02力学，03电磁学，04光学、声学，05热学、统计物理学，06相对论、量子理论、量子信息，07原子、分子物理学，08凝聚态物理学，09原子核物理学、粒子物理学，10等离子体物理学，11交叉学科。
附录部分是两个索引：英汉索引和汉英索引。
前言包括：编排说明；三届物理学名词审定委员会为每个版次写的前言(分别写于1988年7月、1996年2月和2018年11月)；钱三强(1992年2月)、卢嘉锡(2000年夏)、路甬祥(2004年深秋)和白春礼(2018年春)写的序言。
正文是400多页的表格，分为4栏，如图2所示：序号(小数点前是分类号，小数点后是词条在该类里的序号)，汉文名，英文名，注释。注释并不多，每页通常有一两个，有时候连续很多页都没有，有时候一页会出现五六个。
两个索引都是180多页，先是英汉索引，然后是汉英索引。索引的每页分为两个通栏，如图3所示(以汉英索引为例，英汉索引与此类似)。每栏的一行包括汉文名、英文名和序号，偶尔出现的*号表示该词出现在注释里。
图3 《物理学名词》中的汉英索引
02
杨大卫老师指出的错误
杨大卫老师指出的错误是序号09.0929词条：介子，meson，又称“重电子”。Meson(介子)这个词现在已经没有重电子这个含义了，这个注释有误导读者之嫌。
重电子也出现在索引里。注意，接下来的两条索引“重费米子”和“重费米子超导体”其实就是固体物理学中的重电子和重电子超导体(但是这两个词条并没有出现在这本词典里)。
03
介子和重电子
长话短说，介子的发现大致是这样的[2—5]：1934年，日本物理学家汤川秀树(H. Yukawa)为了解释原子核里的核子之间的吸引力，预言了介子的存在，估计它的静止质量大概是电子的200多倍；1936年，美国物理学家安德森(C. D. Anderson)和尼德迈耶(S. H. Neddmeyer)在研究宇宙射线的时候发现了质量为电子207倍的新粒子(μ介子)；当时人们以为这就是汤川理论预言的介子，后来的研究表明并非如此，因为μ介子与原子核的相互作用很弱；1947年，英国物理学家鲍威尔(C. F. Powell)用核乳胶技术探测宇宙射线时，发现了一种质量为电子273倍的新粒子(π介子)，它才是汤川理论预言的粒子。
汤川秀树(1907.01.23—1981.09.08)是著名的日本理论物理学家，因为预言了介子的存在而获得1949年诺贝尔物理学奖。介子理论的提出时间有两种不同的说法[3]：诺贝尔奖颁奖词里说是1934年，而汤川的传略里写的是1935年。实际情况是这样的[3—5]：汤川在1934年10月提出了这个想法，同年11月撰写了论文，这篇文章发表于1935年[6]。
汤川认为，应当存在一种当时尚未发现的荷电玻色子，它在质子和中子之间来回跳跃，从而导致了核力。通过把核力的范围限制在10-15m，他估计了这个玻色子的质量是电子的100倍，比质子轻，比电子重。所以，他把这个粒子称为“重量子”(heavy quantum)——这是一个语意双关的文字游戏，因为重(heavy)对应于轻(light)，重量子就对应于轻量子，而轻量子(light quantum)当然就是光量子(上面这段说法取自朝永振一郎的描述[7])。
1936年，安德森和尼德迈耶在宇宙射线中发现了质量介于电子和质子之间、带有单位电荷的新粒子；其后不久，其他小组也独立得到了相同的结论[4，5]。现在我们知道，这个在实验里发现的粒子(“安德森粒子”)并不是汤川在理论上预言的粒子(“汤川粒子”)。但当时并不知道，这个粒子至少有六七种不同的名字：heavy quantum(汤川的用法)，heavy electron(重电子！)，mesotron(介子，也有译为重电子或者介电子的)，mesoton，barytron，Yukawa particle，Yukon，x-particle，当然还有meson。到了1939年，支持把这个粒子称为mesotron(重电子)的人与把它叫作meson(介子)的人差不多各占一半。
当然，这些名字都跟中文没有关系。1947年，鲍威尔在实验上发现了真正的汤川粒子，π介子，而安德森粒子只是μ介子而已。到了1949年汤川获得诺贝尔奖的时候，meson这个词早已经通用起来了。但是在关于物理学史的文章里，mesotron还经常出现。比如说，在1983年出版的《粒子物理诞生记》(The birth of particle physics)里[8](图4)，还有3篇文章的题目里包含mesotron，只有两篇文章的题目里包含meson。
图4 很多物理学史的著作都详细描述了介子的发现过程
在中文的物理教科书里，通常并不区分meson和mesotron，都称为介子。在关于物理学史的中文译作里，有的区分，有的不区分。比如说，2014年出版的《20世纪物理学(第1卷)》就把mesotron译为重电子，把meson译为介子，而2002年出版的《基本粒子物理学史》就不做这种区分，把二者都译为介子(但有时候会在后面用括号标出是哪个英文单词)。
现在在中文环境中很少有人把介子称为重电子了。杨大卫老师说的对，《物理学名词》在介子(meson)这个词条的注释里说“又称重电子(heavy electron)”，是不太妥当的。
然而，重电子这个词并没有消失，它又出现在固体物理学里，只是换了个身份。重电子金属是20世纪70年代开始研究的一种强关联电子系统，也称为重费米子系统。1975年发现了第一种电子金属CeAl3，低温比热的测量结果表明，这种材料的传导电子的有效质量比一般金属大2—3个数量级，所以称之为“重电子”。现在已经发现的重电子金属或合金已经有很多种，它们的共同之处是都含有f电子壳层未填满的稀土元素或者锕系元素，但是在低温下表现出非常不一样的行为(也就是说，具有截然不同的基态)：长程磁有序，超导电性，非费米液体行为，近藤绝缘体，等等。在《低温物理学》这本研究生教材里，就有整整一章的讲述(图5)[9]。
图5 物理学者知何在？重电子我今又来
04
布经(boojum)的故事：怎么给新东西起名字？
科学研究的过程是发现新事物、提出新思想的过程，新事物和新思想当然需要新名字，怎么给这些新东西起名字呢？这肯定是很难的，只是我们通常认识不到而已。我们的大多数知识都来自于教科书、历史书或者名人传记，它们反映的都是尘埃落定的结果，而不是刀光剑影的过程。特别是很多发现都是在外国，等翻译成中文的时候，早就时过境迁了。
严复说过：“一名之立，旬月踟蹰。”这还只是翻译而已。当你发现一个前所未有的新概念或者新事物的时候，你怎样给它命名，才能让更多的人更快更好地了解它呢？这肯定很难。《物理学名词》这本词典里充满了这样的例子，只是它们的命名者很少有心思把这些事情写下来——真这样做的人，少之又少。
图6 为了起个新名字，莫敏真的是非常努力了
图7 布经(boojum)是超流氦-3 中的一种取向织构。你真的听说过它吗？
我知道一个例子，来自于莫敏(N. D. Mermin)，就是著名的Ashcroft & Mermin《固体物理学》(Solid State Physics)的作者。他是一位理论物理学家，1976年在超流氦-3中发现了一种取向织构(texture)，可能是为了娱乐，就用boojum给它命名。Boojum这个词连《新英汉词典》都没有收录，因为它本来就是随意编造的一个词：刘易斯·卡罗尔在《猎蛇鲨记》(The Hunting of the Snark)中虚构的一种怪物。莫敏使了很多手段[10]，才让这个词出现在物理学的学术期刊上(图6)，最后居然也出现在这本《物理学名词》里，有了一个音义都很妥贴的中文名字——布经(boojum)(图7)。可是，你真的听说过这个名字吗？更糟糕的是，莫敏显然已经把这个名词又变成了动词，他的科普散文集的书名是Boojums all the way through，难道我们把它翻译为“全方位布经”吗？读者会不会以为，莫敏是个到处传经、四方布道的洋和尚呢？
参考文献
[1] 物理学名词审定委员会编. 物理学名词(第三版). 北京：科学出版社，2019
[2] 郭奕玲，沈慧君 编著. 物理学史(第 2版). 北京：清华大学出版社，2005
[3]《诺贝尔奖讲演全集》编译委员会编译. 诺贝尔奖讲演全集·物理学卷 I. 福州：福建人民出版社，2003.pp.987—1000
[4] Brown L M，Pais A，Pippard B 编，刘寄星 主译. 20 世纪物理学(第 1 卷). 北京：科学出版社，2014. 见第5 章：核力、介子和同位旋对称性，Brown L M 著，姜焕清 译，宁平治，秦克诚 校
[5] 阿伯拉罕·派斯 著，关洪，杨建邺，王自华等 译. 基本粒子物理学史.武汉：武汉出版社，2002. 见第17章
[6] Yukawa H. Proc. Phys. Math. Soc.Japan，1935，17：48
[7] 朝永振一郎 著. スピンはめぐる成熟期の量子力学. みすず書房，1974；英文版：The Story of Spin.The University of Chicago Press,1997；朝永振一郎 著，江沢洋 注.スピンはめぐる成熟期の量子力学(新版). 東京：みすず書房，2008
[8] Brown L M，Hoddeson L Editted.The Birth of Particle Physics. Cambridge University Press，1983
[9] 曹烈兆，阎守胜，陈兆甲 编著. 低温物理学(第2版). 合肥：中国科学技术大学出版社，2009
[10] Mermin N D. Boojums All the WayThrough：Communicating Scienceina Prosaic Age. Cambridge University Press，1990
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