理学院
   
教学公告 更多>>
· 2016-2017学年春季学期期末考试... 2017-06-22
· 第二届博物馆志愿者总结暨表彰大会 2017-06-20
· 指尖上的跳动——验证自我 2017-06-13
· 面对考研​暨理学院第七届考研... 2017-05-22
· 青山钢铁 青拓集团招聘会 2017-04-27
· 理学院第二届“思辩杯”辩论赛 2017-04-16
· 红河学院理学院第五届“文明宿... 2017-04-12
· 关于2013-2014学年春季学期期末... 2016-01-16
· 关于2013-2014学年春季学期期... 2016-01-16
精品课程资源
· 《冶金传输原理》 2016/01/16
· 《有机化学Ⅱ》 2016/01/16
· 《无机化学I》 2016/01/16
· 《大学物理》 2016/01/16
 
物理学专业
当前位置: 首页>>教学工作>>课程资源>>物理学专业>>正文
第四讲 宇宙演化与终极物理
2016-01-15 14:39   审核人:

现代自然科学导论

――物理学――

 

第四讲 宇宙演化与终极物理

 

 

 

 

 

 

 


 

  1,太阳光结果三棱镜后被分解为红橙黄绿兰青紫的彩带。

10、光谱测量技术的发展

说到宇宙的演化,首先要提一提光谱测量技术的发展。最早得到光谱图案的是牛顿(I. Newton)1666年,牛顿把太阳光分解为红橙黄绿兰青紫等彩色的光谱。他让一束太阳光通过一块三棱镜,结果发现,光束展开成一条红橙黄绿兰青紫的彩带(如图1)。这表明通常的阳光,是由一序列不同波长的光组成的。这个实验还表明,同一种介质对不同波长的光的折射是不一样的。

1814年,德国天文学家夫琅和费(J. Fraunhofer)比牛顿更进一步,他让太阳光先通过一狭缝,再由棱镜折射。这时,他得到的光谱还是带状的。只不过在连续分布的光谱中,有一些分离的暗线。这表明太阳的光谱中,欠缺了一些波长的光。而这些暗线称为“夫琅和费线”。1842年,法国物理学家贝克勒耳(A. E. Becquerel)把太阳光谱中的夫琅和费线拍摄了下来,并通过拍摄底片测定了所能拍摄到的夫琅和费线的波长。今天,采用现代的仪器可以发现,在太阳的光谱中,可有多达三万多条夫琅和费线。

19世纪五十年代,一些科学家认为,夫琅和费线可能与太阳拥有的元素有关。太阳发出的光谱是连续的。但对应于不同的元素,可能会吸收某些特定波长的光,于是就出现了光谱中的暗线。实际上,太阳的光谱中,也出现了一些特别明亮的线,这可以解释为是对应于某些元素发出的光。

1859年前后,德国化学家本生(R. W. Bunsen)和克希霍夫(G. R. Kirchhoff)注意到,不同的化学物质在炽热状态下发出的光似乎不一样。他们决定拍摄一下光谱,以便比较是否有所不同。结果发现确实不一样。在拍摄的底片上,不同元素的物质发出的光,其谱线数不同,位置也有不同。他们意识到,这是一种非常重要的识别不同元素的方法。于是他们改进了他们的光学仪器,以提高分辨率,并使得对不同谱线的波长测定更为准确。不久,他们就用新的光学仪器分光计,把当时已知的元素其光谱结构一一加以测定,并发现了新的元素铯和铷。

确实,不同元素的物质具有不同的一组组发射或吸收光谱线结构。本生和克希霍夫的方法具有很大的意义。不久,他们的方法很快就传遍了欧洲科学界。1862年,瑞典天文学家昂格斯特罗姆(A. J. Angstrom)根据氢光谱线结构,从太阳的光谱中识别出太阳上也有氢元素的存在。1868年,法国天文学家皮埃尔.让桑在印度对一次日全食的观测中发现了一条新的谱线。这条谱线是当时任何已知元素的谱线结构中都没有的。这表明,太阳上还有一种地球上所不认识的新元素。英国天文学家洛克耶(N. Lockyer)把这种新元素取名为氦,用希腊文说,就是来自太阳。此后不到30年,在地球上也发现了氦这种元素。

20、多普勒效应与多普勒红移

光谱测量的技术,在各个领域都得到了极大的改进。在天文观测方面,已经能做到拍摄微弱星光光谱的程度。不久,天文学家们发现,许多星光光谱中,从谱线结构上看,是某种元素的光谱。但整个谱线结构却整体发生了位置移动,就象波长都变长了频率变低了一样。因为在可见光谱范围内,红光的频率要低,紫光的频率要高,所以光波频率变低向红端偏移的现象叫做红移。要解释这种光谱线结构整体位置的移动,可以用多普勒效应来说明。为此,我们得对多普勒效应作一番介绍。

多普勒效应是1842年奥地利物理学家多普勒(C. J. Doppler)发现的一种现象。如火车朝我们驶来时,我们会听到火车的汽笛声调变的高而尖,看起来汽笛声波的频率变高了。而当火车离我们远去时,汽笛声调又会变的低沉起来,就好象声波频率又变低了一样。多普勒首先导出了波源运动速度与观测者测量到的波动频率之间的关系,然后指出观测者会测到波动频率会发生变化的情况。后来的实验证实了多普勒的预言,就象火车的汽笛声调变高变低一样。

如频率为n的波源背离观测者以速度uS运动,对静止的观测者而言,他测量到这波动的频率就是

对于光波,存在相对论性效应。若频率为n0光源是以速度u背离接收者而去,则接收者所接收到的光波的频率就为

       

这种远离我们而去的光源其频率降低、波长变长的现象称之为多普勒红移。

    30哈勃定律与宇宙膨胀

随着天文观测技术的深入,越来越多的数据表明,星系的光谱似乎都有多普勒红移现象,这说明星系大多是远离我们而去的。1929年,哈勃根据天文观测数据,总结出一条今天我们称之为哈勃定律的规律:

    v = H r

即一个星系的退行速度与这个星系离我们的距离成正比,其比例系数H今天我们称之为哈勃常数。(如氢紫色的Hd和红色的Hα线波长分别是4102Å6563Å,但观测到某一星系的Hd线红移到了Hα,那该星系距我们是多少?已知哈勃常数为72±8公里/百万秒差距。)

进一步的天文观测表明,星系间总是相互远离的。星系间总是相互远离的这种天文观测结果,只有用宇宙是在膨胀的假设才能解释。想一想一个气球膨胀时,气球表面的斑点间总是在相互远离的这种情形,我们就可以理解宇宙的膨胀了。

宇宙在膨胀看来是一件不可动摇的事实。这令爱因斯坦大为懊恼,因为爱因斯坦在最初得到广义相对论的场方程时,就可预言到这种情况。但爱因斯坦为稳态宇宙的考虑,加进了一个修正项,从而丧失了一个伟大的预言。

如果将时间回溯,从爱因斯坦广义相对论的场方程可以得到一个奇点。据此,勒默策等人就提出,宇宙空间是从一个点爆炸产生的,这就是所谓的宇宙大爆炸。宇宙大爆炸的理论在1965年得到了一个偶然观测结果的有力支持。这一年,彭齐亚斯和威尔逊两人偶然测到了一种均匀来自天空各个方向的射电辐射。这种辐射只相当于3K左右的物体的热辐射。一开始,人们认为,这种来自外太空的辐射可能是外太空高级生命发出的。甚至,有好事者认为是什么外星小绿人在与地球联系。一时间,新闻媒体的推波助澜,使得文明世界处在一种过度的兴奋之中。实际上,这正是1948年伽莫夫根据大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。伽莫夫通过计算推出,宇宙大爆炸后,随着宇宙的膨胀,宇宙的温度逐渐降低。宇宙膨胀到现在,其温度不会超过5K,并且作为宇宙的背景进行辐射。测到了这种宇宙微波背景辐射,也就证明了宇宙经历过大爆炸。

40宇宙的演化与量子演化动力学

宇宙在膨胀,说明宇宙空间在演化着。不久前用大M理论(膜理论),曾得到了另外一种可消除奇点的宇宙大爆炸模型。该模型说的是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜的碰撞引起的。但宇宙空间在演化着却与任何一种理论都不冲突。而对于宇宙的演化,我们可以注意到,不只是宇宙空间的演化,还应包括宇宙所含内容的演化。如恒星、行星以及各种天体的运动,地球上各种生物种群的不断演化,分子、原子的运动,各种基本粒子的产生与湮灭,我们日常生活中所能看到的各种运动与变化等等。目前正在发展的量子演化动力学理论,已经能在很大程度上说明宇宙演化内容的基本时空机制。

量子演化动力学理论是建立在能反映宇宙演化内容的基本时空演化机制的基础上。我们发现,宇宙演化内容的基本时空演化是由一种特殊的因子时间演化算符 作用在能描述场构型空间的标架上进行的。如考虑一般的场构型空间,其标架为F(r),引入参量t,它为该构型空间中的坐标所构成的独立变量。整个构型空间由t=const.这样的类空超曲面加以标志。这样,在Euclidean空间中,系统的演化由下式给出。

   

其中,I[F(r)]Euclidean作用量。如对于引力场,场构型空间的坐标应由 。其中, 是三维类空超曲面t=const.上的内禀度规。这样,系统的引力场演化就由下式来刻划:

       

由于时间平移不变性所给出Hamiltonian限制,从而可得到著名的量子引力方程Wheeler-De Witt方程:

       

上世纪90年前后,雅各布森、斯莫林和罗维利完整地求解了这个量子引力方程,从而发现了时空的量子生成机制。这一机制,也正是宇宙空间的演化机制。同时也明确说明,时空具有量子结构。

量子演化动力学还可以说明微观粒子的量子动力学机制。如考虑一个粒子在两个已经发生的时空事件( , )( , )之间的演化,其机制实际上是由一个由时间参量t表征的所谓演化核即时间演化算符 作用在类空的闵可夫斯基场构型空间的标架上实现的。 作用的结果为时空的量子映象,也就是所谓的量子力学传播波幅 。这种量子映象在整个时空的综合,就反映出了粒子在时空的表象,也就是所谓的波函数Y(xt),它也正是量子动力学方程的解。换句话说,描述微观粒子的量子力学,实际上就是时间演化算符作用在类空的闵可夫斯基场构型空间标架上的演化行为。这种量子演化,是在泛函构型空间中对应于经典轨道的点的附近进行的,而经典动力学只是泛函构型空间中量子演化的一种实在反映。微观粒子这种实在反映的经典动力学行为,实际上也正是我们能直观看到的波粒二象性中的粒子性表现。而这种量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间的综合量子映象,反映的就是所谓的量子波动。这也就解释了所谓波粒二象性的机制。

量子演化动力学也可以说明微观粒子的量子跃迁机制。如对整数或半整数空间,时间演化算符作用的结果 说明了量子跃迁的法则。换句话说,量子跃迁的机制实际上是时间演化因子作用于整数或半整数空间的结果。

目前,自然界中的基本相互作用是一种什么样的机制也正是量子演化动力学的研究重要方向。

50、自然界中的基本相互作用

英国物理学家卢瑟福1911年根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型后,人们知道了原子是由带正电的原子核和核外的电子构成的。但很快就有人提出了这样的问题:原子核又是由什么构成的?

1919年,卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验,发现轰击后有一种粒子的径迹反映出这种粒子带一个电子的正电荷,质量却与氢原子的质量相当。卢瑟福把这种粒子命名为质子。

由于各种原子核所带的电量和质量都是质子的整数倍,但通常质量数要比电荷数大。因此,许多科学家认为,原子核可以是由质子和电子构成。原子核内的电子数要比质子数少,中和了一部分正负电荷后,反映出来的核电荷数就比质量数要小。而卢瑟福在1920年提出,电子与质子的中和可以结合成一种质量与质子相当的中性粒子。但是,更深入的理论研究表明,在原子核所占的区域内,电子不可能存在。如根据1927年海森伯提出不确定性原理,把电子束缚在很小的原子核区域内,它的动量将有很大的不确定性,因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒;这样,电子就不可能在原子核所占的区域内长时间存在。

1930年,德国物理学家博特(w.w.G.Bothe,1891~1957)和贝克(H.Becker)α粒子轰击较轻的元素,特别是轰击铍时,发现从铍中发射一种强度不大但穿透力极强的射线。这种射线在电场和磁场中都不发生偏转(因而不带电),在穿透2厘米厚的铅板之后,射线的强度只减弱13%。当时把这种射线称作是铍辐射。根据当时已经发现的各种辐射的研究,α射线和β射线都没有这么强的穿透力。唯一能穿透铅板且不带电的是γ射线,因此这两位物理学家认为他们发现的是高能γ射线。根据这种射线在透过铅板后强度减弱的情况,他们推算出这种射线的能量约为10兆电子伏特左右。

1932年,约里奥·居里夫妇重复了博特的铍辐射实验。为了测量物质对铍辐射的吸收,他们把石蜡放在铍辐射经过的路径上。他们发现,铍辐射从石蜡中打出了质子。根据打出的质子的速度,他们推算出这种射线的能量是50兆电子伏特,这与上述10兆电子伏特相去甚远。约里奥·居里夫妇还是沿着博特的思路,他们把这一现象解释为高能γ射线光子同质子的康普顿散射。

约里奥·居里夫妇的论文传到英国,英国物理学家查德威克把论文的内容告诉了卢瑟福。据说卢瑟福听了查德威克述说约里奥·居里夫妇的解释时大声喊道:“我不相信”。查德威克也不相信,他和卢瑟福都认为:反冲质子有这么大的能量绝不可能是光子碰撞的结果,而应该是某种粒子碰撞的结果。查德威克随即意识到:这很可能是十年前卢瑟福所预言的“中性粒子”碰撞所致。查德威克马上着手实验,他用钋和铍作为放射源,使用这种新射线去轰击氢、氦、氮等元素,结果发现这种射线的性质与通常的射线有所不同,通常的射线照射到物质上,物质密度越大,对射线吸收的就越厉害。而这种射线的性质刚好相反,密度越小的物质越容易吸收它。查德威克用这种射线去轰击氢原子时发现,氢原子核被弹射出去,这说明这种射线是具有一定质量的粒子流。由于这种粒子流不带电,电场和磁场对它不起作用,所以不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量。通过对氢原子和氮原子的轰击,查德威克根据动量守恒和能量守恒,算出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等,他把这种射线的粒子称为“中子”

中子发现后,原子核的结构也就清楚了。这时,科学家们普遍认为,原子核是由带一个电子正电荷的质子和质量与质子相当的中子构成的。但问题也跟着出来了,那就是在10-15米的原子核区域内,质子之间的库仑排斥力极大,万有引力远没有库仑排斥力大,根本不可能把质子约束在原子核这么小的区域内。那把质子约束在原子核内的力是一种什么样的力呢?

由于质子-中子核结构模型在后来的各种实验中经受住了考验,因此,科学家们认为,自然界还应该存在一种除电磁相互作用及引力相互作用之外的相互作用。这种相互作用极强,能克服库仑排斥把质子约束在原子核那狭小的区域内。这种相互作用就称之为强相互作用

原子核的质子-中子模型是无法解释β衰变中的电子来源于何处的,但β衰变的现象又太令人迷惑不解。一是理论上已表明原子核内没有电子存在,但实验数据上也表明β衰变的电子并不来源于原子核外各壳层电子,只能来自原子核,这真实咄咄怪事。中子发现后,这个问题得到了解决。原来中子是不稳定的。实验发现,通常经过大约15分钟,中子就衰变成了质子和电子。这样,β衰变的电子原来是来源于原子核内中子的衰变。但这并没有说明长期以来β衰变的能谱为什么是连续的情况。因为由量子理论,粒子的能态是量子化的。如果原子核的能态是量子化的,那β衰变产生的电子的能态也应该是量子化的。但实验发现,β衰变产生的电子的能量可以是任意的,能谱是连续的。

为了说明β衰变的电子能谱的连续性,泡利在1930年提出,如果在β衰变的过程中,伴随着一种质量极小的中性粒子的发出,那这种中性粒子和电子的总能量是量子化的,但两者可以以任意的能量分配。这种中性粒子费米把它称为中微子。

中子的衰变现象发现后,费米马上就引入泡利的中微子假设,给出了中子衰变的过程应该是这样的: 。当时费米又提出了这样一个问题:束缚质子、电子和中微子形成中子的力是什么样的力呢?(当然,把中子看成是质子、电子和中微子所组成的这一图象显得过于粗糙)。实验表明,这种力显然不是强相互作用和电磁相互作用。因为从实验的能谱数据上看,这两种相互作用都显得太强了。这种力也不会是万有引力,因为这又显得太弱了。费米在1934年指出,这种力就应该是一种新的相互作用,并称之为弱相互作用

至此,人类发现自然界有四种基本的相互作用:万有引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。而构成自然界物质的最基本粒子现在发现的有:质子、中子、电子、正电子和中微子(较直接捕捉到中微子是1955年在反应堆上实现的)和光子。

60、统一之路

强相互作用和弱相互作用的概念明确以后,科学家们对这两种刚认识的相互作用的研究也在深入。1935年,汤川秀树提出了一种大胆的理论。他认为,电磁相互作用是通过交换场量子γ光子进行的。而强相互作用的核力也可以通过这种方式进行的,它所交换的是一种新的粒子。通过计算,汤川秀树指出,核力交换的这种粒子其质量约为电子的200倍,介于质子与电子之间,因此可以称为介子。

1936年,美国物理学家安德森宣称,他在高空探测气球收集到宇宙线中发现了一种质量约为电子207倍的粒子。一开始,人们认为这种粒子就是汤川秀树所预言的那种粒子,并将之命名为μ介子。但后来根据这种粒子与别的粒子的作用结果及其衰变特征,发现这种粒子并不是汤川所预言的那种。直到二次世界大战结束后的1947年,英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发现了另一种粒子,其质量为电子的273倍,经反复检测,确定它正是汤川秀树所预言的介子,被命名为π介子,而原来的μ介子改称μ子。

π介子的发现,使得科学家们去发现别的粒子的热情高涨。随着人造加速器的不断改进,人们陆续发现了ҚΛΓ介子和Δ++共振态粒子等许多粒子,其数目比元素的种类还要多。相应地,诸如同位旋、奇异性等新的物理特性也被认识到了。面对如此种类繁多的粒子,是否也能找到一种类似于元素周期律的规律来描述这些自然界的基本砖块呢?而这四种相互作用是否也可以象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统一描述那样统一地描述呢?

最初被拿来进行统一描述的是质子和中子。这两种粒子除了一个带电一个不带电以外,别的物理性质如质量、自旋等都是相近的。为此,海森伯认为质子和中子在本质是同一种粒子,只不过有两种不同的外在表现状态。为了描述这种粒子不同的外在表现状态,海森伯引入了一种称之为同位旋的量子数来描述。一种粒子的状态不同,其同位旋分量就不同。如质子和中子的同位旋分量分别定为+1/2-1/2,三种π介子π+ππ0的同位旋分量分别定为+1-10

1954年,杨振宁和米尔斯引入了外尔的规范变换方法,试图在规范场的框架下来理论性地描述同位旋守恒与同位旋规范变换不变性的问题。规范变换的概念是由德国学者H.外尔在1918年提出来的。外尔注意到,似乎物理规律不因在时空每一点上量度时空的尺度的随意选择而有所改变,这种在时空每一点上量度时空的尺度的改变称为定域规范变换。外尔试图应用定域规范变换不变性原理来导出麦克斯韦的电磁场理论。但外尔的尝试没有成功,其原因在于他所用的尺度的变换只涉及时空自由度的改变,而电磁势的改变则涉及物质的内禀自由度(电荷),这两种自由度是不同的。

1925量子力学建立后,规范变换有了新的含义。在量子力学中有一种新的不变性:波函数整体的相位选择有着任意性,相因子的改变 对力学量的观测值毫无影响。在量子力学中,每一种变换下的不变性导致一种物理守恒量,与上述不变性相联系的守恒量就是电荷。

如果波函数在时空的每一点上,相位作正比于电荷的改变

         513-04    

要求量子力学在这变换下不变,则必须有一矢量场 存在,它在这种变换下作相应的变换 513-05。由它定义的场强正好为麦克斯韦方程组所描述,它与波函数所描述的带电粒子的相互作用,正好是熟知的电磁相互作用,因此, 就是电磁场的矢量势。这样,就完成了由外尔开头尝试的从定域规范变换不变性导出电磁理论的工作。只是,规范变换已经从原来的定义换成由式(1)(2)所规定的相位的变换。前者与时空无关,称为整体规范变换;后者与时空有关,称为定域规范变换。

定域规范变换下不变性所要求空间区域,称为规范场。变换 (2)在数学上构成单参数的幺正变换群U (1),这种变换往往被称为U1)定域规范变换。电磁场就是U (1)定域规范变换不变性所要求的规范场。这种场的量子就是光子,它的质量为零,自旋为1,是传递电磁相互作用的量子。

1954年,杨振宁和米尔斯试图发展一种规范变换理论,以便能够描述同位旋规范变换的不变性。他们发现,必须引进三种矢量规范场,它们形成同位旋转动群 SU(2)的伴随表示。这些规范场的量子的自旋为1/2,同位旋为1,电荷分别为+1、-10。但他们的理论遇到一个重大的困难,那就是他们无法得到这种规范场量子的质量。而严格的规范不变性要求,规范场的量子是零质量的矢量粒子另一方面,实验中从未发现除光子外别的质量为零的粒子。

1960年,德国的海森伯把固体物理中自发对称破缺的概念引入到粒子物理来。他认为存在在一种自发破缺的机制,使得规范场的对称性受到破坏,从而使得规范场的场量子具有能量。海森伯的设想在第二年取得了进展。1961年,英国剑桥的哥德斯通发现了一类体系,其拉格朗日函数在某种变换下是一个对称的,但其真空态的变换却是不对称的。这就产生了对称破缺的情况。但第二年,哥德斯通和温伯格、萨拉姆证明了这种对称破缺伴随着一种无质量的粒子,称之为哥德斯通粒子。又是质量为零的粒子,真令人厌恶。

真正的转机出现在1964年。这一年,英国物理学家P. 希格斯提出了一种机制(希格斯机制)来解决规范场的场量子质量为零的困难。希格斯引入了一种标量场,其场量子有质量,现称之为希格斯粒子。希格斯认为,这种标量场在整个宇宙空间中处处存在。当对应于基本粒子的规范场与希格斯的标量场发生汤川相互作用时,规范场的对称性就被破坏。这时,规范场的场量子就可以有质量。而在发生相互作用过程中,零质量的规范场粒子在希格斯粒子的影响下(催化),与零质量的哥德斯通粒子发生相互作用,并结合生成有质量的规范场粒子。这时的哥德斯通粒子成为矢性规范场粒子的一个纵向分量,同时也就破坏了规范场的对称性。

由于希格斯标量场无所不在,对应于基本粒子的规范场必然要与希格斯的标量场发生相互作用,规范场的对称性自然要被破坏,所以这种对称性的破坏确实是自发(真空)对称破缺。

另一方面,使用希格斯机制,并不能够使得杨-米尔斯规范场对描述强相互作用起到什么作用。换句话说,杨-米尔斯场规范场不能描述质子中子这种核子之间的强相互作用。实际上,杨-米尔斯提出那个规范场方案表达错了对象。但希格斯机制对温伯格和萨拉姆而言却是福音。

温伯格和萨拉姆早就各做了一个方案,用来对弱相互作用和电磁相互作用进行统一的描述。他们提出,如果构造SU2×U1)的规范场,那电磁相互作用和弱相互作用就可以统一地被表述。但这种规范场的场量子都是无质量的,这让他们很沮丧。现在有了希格斯机制,SU2×U1)规范场的场量子就可以在现实中表征出质量来。于是他们各自认真地研究了希格斯机制在SU2×U1)规范场中具体所起到的作用,最后分别于1967年和1968年各自独立地提出了完整的弱电统一方案。他们提出,应该引入的希格斯场是一个二分量的复标量场。当SU2×U1)规范场与希格斯场发生相互作用时,希格斯场的两个自由度被SU(2)规范场的场量子吸收,形成 规范场粒子;希格斯场的另一个自由度被分配给了SU(2)U(1)规范场的场量子,其线性组合就形成了规范粒子Z0.而希格斯场的剩余度就形成了所谓的希格斯粒子。

1983年, 粒子被发现;1989年,Z0粒子也被发现,弱电统一理论获得了巨大的成功。但希格斯粒子到目前为止,还没有得到完全的证实,即便有迹象表明它的存在。

描述强相互作用的SU(3)规范场理论也在上世纪七十年代中期被提出来了。这一被称之为量子色动力学(QCD)的理论其发展要从1964年美国科学家M. 盖尔曼和茨威格提出的夸克模型算起。盖尔曼和茨威格注意到,能进行强相互作用的粒子(强子)虽然很多,但它们表现在很多方面是类似的。如果这些粒子还不是基本的,而是有更基本的粒子构成的,那就有可能说得清楚为什么这么多的粒子会有类似的表现。1964年,他们找到了一种方案-夸克模型来说明强子的表现。他们各自独立地提出,质子和中子这样的强子还不是最基本的粒子,它们是由更基本的单元——夸克(quark)组成的最初解释强相互作用粒子的理论只需要三种夸克和它们的反粒子-反夸克。而整个宇宙由两类建筑材料构成,一类是轻子(电子,中微子,μ子和τ),一类是夸克。这3种夸克加上已知的4种轻子,便成为构成世界万物的本原。三种夸克叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)它们各有自己的反粒子反夸克。夸克具有分数电荷,是电子电量的2/3-1/3倍,自旋为1/2。我们平时看到的强子是由三个夸克构成的,比如质子(uud),中子(udd)Ω(sss)。而介子则是夸克和反夸克的束缚态,如π+介子(u )π介子(d )π0介子(u )

随着对强相互作用机制的认识,三种味的夸克就不够了,所以又增加了三种:粲夸克(魅夸克)(charm,c),底夸克(bottom,b)和顶夸克(top,t)。与此同时,描述夸克之间强相互作用的规范场也找到了,那就是SU(3)规范场。为了SU(3)规范场对称性的要求,每一种夸克应该有三种表现(状态)。这三种表现用红、绿、兰三种颜色表示。这样,夸克就有六味三色一共18种。而这样的规范场理论也叫做量子色动力学(QCD)

描述强相互作用的SU(3)规范场的耦合常数太大了,没办法用微扰展开的方法来计算夸克间的强相互作用,而科学家们又只有微扰展开的工具,这就使得描述描述强相互作用的SU(3)规范场理论有可能变得空洞而失去价值。转机出现在1973年。这一年,哈佛大学的Sidney Coleman给自己的研究生David Politzer一个习题,让他用重整化群算算非阿贝尔规范场的耦合常数随动量的跑动。与此同时,Princeton物理系的David Gross也给了自己的研究生Frank Wilczek同样的问题。俩人很快算完了,结果他们有了重大发现:当两个参与强作用的粒子(比如夸克)靠的很近时,其耦合强度变得非常的小,而当两个粒子远离时,耦合强度变得非常大,这就是所谓的渐进自由。即当两个粒子渐渐靠近时就变得越来越自由,此时的耦合常数是一个小量,可以做微扰展开。物理学家们历史上第一次能够计算强相互作用了。本来这个贡献是四个人的。但是Coleman当时认为这个计算不过是个习题,就没有在文章上署上自己的名字,Politzer是独立署名发表的文章,而GrossWilczek是联合署名发表的文章,于是发现渐进自由的荣誉就只记在了GrossWilczekPolitzer三个人名下。这对诺贝尔奖的评选是件好事儿,因为按惯列的奖人不能超过三位,他们三人由于这项工作获得了2004年度的诺贝尔物理学奖。

 力的强度

 

 


 

        强相互作用

 

      电磁力

 

           弱相互作用

 

        GeV          1013    1016

 

强相互作用渐近自由的发现,暗示着弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用等三种相互作用有可能统一在同一理论框架下。弱电统一的SU2×U1)规范场理论已在1968年作出。根据这一理论,温伯格等人在计算时发现,大约在1013GeV的能量状态下,弱相互作用与电磁相互作用的表现是一致的。强相互作用渐近自由的发现,激发了人们把强相互作用也统一在一起描述的热情。很快,方案就出来了,这就是SU(3)×SU2×U1)规范场理论。通过计算发现,大约在1016GeV的能区,三种相互作用的表现是一样的。

SU(3)×SU2×U1)规范场理论就是统一描述弱、电、强三种相互作用的所谓标准模型。今天,标准模型已发展到可以把引力相互作用包容进去的地步。根据标准模型,传递电磁相互作用的粒子是光子,传递弱相互作用的是W±Z0粒子,传递夸克间强相互作用的粒子是胶子,而传递引力相互作用的粒子是引力子。这些媒介粒子中除光子外,其它的粒子均通过希格斯机制在希格斯粒子的影响下而获得质量。这也意味着,如果发现了希格斯粒子,那标准模型就可以完全获得认可。目前,欧洲核子中心的实验表明,希格斯粒子有存在的迹象。但日本超级神冈中微子探测器的结果也显示中微子有质量存在的证据,而标准模型并不容纳非零质量的中微子,这就有必要对标准模型进行修正。

70、终极物理的候选者-大M理论

目前,有望能把宇宙时空结构、宇宙所含所有物质及其相互作用作统一描述的理论是大M理论。大M理论是从20世纪60年代开始出现的弦理论发展过来的。那时,关于强相互作用的一连串实验发现表明,似乎存在着无穷多个强子。当粒子参与强相互作用时,粒子与粒子散射振幅之间满足一种奇怪的性质,叫做对偶性。1968年,一个在麻省理工学院工作的意大利物理学家威尼采亚诺 (Gabriele Veneziano) 翻了翻数学手册,发现一个简单的函数满足对偶性,这就是著名的威尼采亚诺公式。很快人们发现这个简单的公式可以自然地解释为弦与弦的散射振幅。这样,威尼采亚诺的弦的两端就可以用来代替粒子,弦的张力可以代表粒子间的相互作用,特别是后来夸克间的相互作用。

威尼采亚诺的工作包含有一个重要的思想,那就是为什么组成宇宙物质的一定得是粒子而不能是别的呢?组成宇宙空间与物质的可以是一种特殊结构的弦。如对于夸克,从来没有在任何的实验中有迹象表明单独夸克的存在,这种情况称之为夸克禁闭。从弦的角度出发,可以理解为弦越拉长,弦的张力就越大,弦的两端就越不能够被分离(拉断)。即便把弦拉断,两段弦还是弦,不可能是单独的端点,即夸克。这就解释了单独的夸克不存在的原因。而弦越松弛,弦的两端就越自由,这也就解释了夸克间强相互作用的渐近自由行为。

后来的发展表明,强相互作用不能用弦理论来解释,至少不能用已知的简单的弦来描述和解释。而与此同时发展起来的基于夸克模型的量子色动力学,能很好地描述强相互作用。但几年后,加州理工学院史瓦兹 (John Schwarz)和舍尔克 (Joel Scherk)却将威尼采亚诺散射振幅中含引力子的部份解释为爱因斯坦理论中的相应部份,从而使得弦论一变而为量子引力理论!

    回过头来把弦论与粒子物理又关联起来的突破是1993年,这一年,洛特格斯大学的塞伯格 (Nathan Seiberg)非常有效地利用超对称来限制场论中的量子行为。这样,弦论就与量子场论关联了起来,并超越了量子场论。当然,这时的弦理论也就发展为超弦理论。1994年,不少人就已用到各种不同维数的膜来研究对偶性。到1995年,施特劳明格 (Andrew Strominger) 发现用一种特别的孤子,这种孤子不是完全的点状粒子,而是三维的膜,可以把塞伯格-威腾94年的结果解释为超弦中具有不同拓扑的空间之间的相变,从而把看起来完全不同的“真空”态连结起来。同年,威腾 (Edward Witten) 发展了一种10 维的超弦在强耦合极限下可以成为11维的理论。这种理论现在称之为大M理论。由于大M理论即可包含时空结构的引力理论,又可包含量子场论,所以大M理论(通常也称为超弦理论)最有希望把引力、强、弱和电磁相互作用统一描述,从而成为物理学的终极理论。

关闭窗口