這表明它們能被交換的數(shù)目不受限制,這樣就可以產(chǎn)生根強(qiáng)的力。然而,如果攜帶力的粒子具有很大的質(zhì)量,則在大距離上產(chǎn)生和交換它們就會(huì)很困難[奇+書(shū)+網(wǎng)]。這樣,它們所攜帶的力只能是短程的。另一方面,如果攜帶力的粒子質(zhì)量為零,力就是長(zhǎng)程的了。在物質(zhì)粒子之間交換的攜帶力的粒子稱為虛粒子,因?yàn)樗鼈儾幌瘛皩?shí)”粒子那樣可以用粒子探測(cè)器檢測(cè)到。但我們知道它們的存在,因?yàn)樗鼈兙哂锌蓽y(cè)量的效應(yīng),即它們引起了物質(zhì)粒子之間的力,并且自旋為0、1或2的粒子在某些情況下作為實(shí)粒子而存在,這時(shí)它們可以被直接探測(cè)到。對(duì)我們而言,此刻它們就呈現(xiàn)出為經(jīng)典物理學(xué)家所說(shuō)的波動(dòng)形式,例如光波和引力波;當(dāng)物質(zhì)粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時(shí),它們有時(shí)就可以被發(fā)射出來(lái)。(例如,兩個(gè)電子之間的電排斥力是由于交換虛光子所致,這些虛光子永遠(yuǎn)不可能被檢測(cè)出來(lái);但是如果一個(gè)電子穿過(guò)另一個(gè)電子,則可以放出實(shí)光子,它以光波的形式為我們所探測(cè)到。)
攜帶力的粒子按照其攜帶力的強(qiáng)度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強(qiáng)調(diào)指出,將力劃分成四種是種人為的方法;它僅僅是為了便于建立部分理論,而并不別具深意。大部分物理學(xué)家希望最終找到一個(gè)統(tǒng)一理論,該理論將四種力解釋為一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。確實(shí),許多人認(rèn)為這是當(dāng)代物理學(xué)的首要目標(biāo)。最近,將四種力中的三種統(tǒng)一起來(lái)已經(jīng)有了成功的端倪——我將在這章描述這些內(nèi)容。而關(guān)于統(tǒng)一余下的另一種力即引力的問(wèn)題將留到以后再討論。
第一種力是引力,這種力是萬(wàn)有的,也就是說(shuō),每一粒子都因它的質(zhì)量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱,以致于若不是它具有兩個(gè)特別的性質(zhì),我們根本就不可能注意到它。這就是,它會(huì)作用到非常大的距離去,并且總是吸引的。這表明,在像地球和太陽(yáng)這樣兩個(gè)巨大的物體中,所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來(lái)而產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。另外三種力或者由于是短程的,或者時(shí)而吸引時(shí)而排斥,所以它們傾向于互相抵消。以量子力學(xué)的方法來(lái)研究引力場(chǎng),人們把兩個(gè)物質(zhì)粒子之間的引力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子所攜帶。它自身沒(méi)有質(zhì)量,所以所攜帶的力是長(zhǎng)程的。太陽(yáng)和地球之間的引力可以歸結(jié)為構(gòu)成這兩個(gè)物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的,它們確實(shí)產(chǎn)生了可測(cè)量的效應(yīng)——它們使地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)!實(shí)引力構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)家稱之為引力波的東西,它是如此之弱——并且要探測(cè)到它是如此之困難,以致于還從來(lái)未被觀測(cè)到過(guò)。
另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子(例如電子和夸克)之間,但不和不帶電荷的粒子(例如引力子)相互作用。它比引力強(qiáng)得多:兩個(gè)電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億(在1后面有42個(gè)0)倍。然而,共有兩種電荷——正電荷和負(fù)電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的,而異種電荷則互相吸引。一個(gè)大的物體,譬如地球或太陽(yáng),包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨(dú)粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了,因此兩個(gè)物體之間純粹的電磁力非常小。然而,電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負(fù)電的電子和帶正電的核中的質(zhì)子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉(zhuǎn),正如同引力使得地球繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一樣。人們將電磁吸引力描繪成是由于稱作光子的無(wú)質(zhì)量的自旋為1的粒子的交換所引起的。而且,這兒所交換的光子是虛粒子。但是,電子從一個(gè)允許軌道改變到另一個(gè)離核更近的允許軌道時(shí),以發(fā)射出實(shí)光子的形式釋放能量——如果其波長(zhǎng)剛好,則為肉眼可以觀察到的可見(jiàn)光,或可用諸如照相底版的光子探測(cè)器來(lái)觀察。同樣,如果一個(gè)光子和原子相碰撞,可將電子從離核較近的允許軌道移動(dòng)到較遠(yuǎn)的軌道。這樣光子的能量被消耗殆盡,也就是被吸收了。
第三種力稱為弱核力。它制約著放射性現(xiàn)象,并只作用于自旋為1/2的物質(zhì)粒子,而對(duì)諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。直到1967年倫敦帝國(guó)學(xué)院的阿伯達(dá)斯·薩拉姆和哈佛的史蒂芬·溫伯格提出了弱作用和電磁作用的統(tǒng)一理論后,弱作用才被很好地理解。此舉在物理學(xué)界所引起的震動(dòng),可與100年前馬克斯韋統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)并駕齊驅(qū)。溫伯格——薩拉姆理論認(rèn)為,除了光子,還存在其他3個(gè)自旋為1的被統(tǒng)稱作重矢量玻色子的粒子,它們攜帶弱力。它們叫w+(w正)、w-(w負(fù))和z0(z零),每一個(gè)具有大約100吉電子伏的質(zhì)量(1吉電子伏為10億電子伏)。上述理論展現(xiàn)了稱作自發(fā)對(duì)稱破缺的性質(zhì)。它表明在低能量下一些看起來(lái)完全不同的粒子,事實(shí)上只是同一類型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個(gè)效應(yīng)和輪賭盤(pán)上的輪賭球的行為相類似。在高能量下(當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時(shí)),這球的行為基本上只有一個(gè)方式——即不斷地滾動(dòng)著;但是當(dāng)輪子慢下來(lái)時(shí),球的能量就減少了,最終球就陷到輪子上的37個(gè)槽中的一個(gè)里面去。換言之,在低能下球可以存在于37個(gè)不同的狀態(tài)。如果由于某種原因,我們只能在低能下觀察球,我們就會(huì)認(rèn)為存在37種不同類型的球!
在溫伯格——薩拉姆理論中,當(dāng)能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100吉電子伏時(shí),這三種新粒子和光子的行為方式很相似。但是,大部份正常情況下能量要比這低,粒子之間的對(duì)稱就被破壞了。w+、w-和z0得到了大的質(zhì)量,使之?dāng)y帶的力變成非常短程。薩拉姆和溫伯格提出此理論時(shí),很少人相信他們,因?yàn)檫€無(wú)法將粒子加速到足以達(dá)到產(chǎn)生實(shí)的w+、w-和z0粒子所需的一百吉電子伏的能量。但在此后的十幾年里,在低能量下這個(gè)理論的其他預(yù)言和實(shí)驗(yàn)符合得這樣好,以至于他們和也在哈佛的謝爾登·格拉肖一起被授予1979年的物理諾貝爾獎(jiǎng)。格拉肖提出過(guò)一個(gè)類似的統(tǒng)一電磁和弱作用的理論。由于1983年在cern(歐洲核子研究中心)發(fā)現(xiàn)了具有被正確預(yù)言的質(zhì)量和其他性質(zhì)的光子的三個(gè)帶質(zhì)量的伴侶,使得諾貝爾委員會(huì)避免了犯錯(cuò)誤的難堪。領(lǐng)導(dǎo)幾百名物理學(xué)家作出此發(fā)現(xiàn)的卡拉·魯比亞和發(fā)展了被使用的反物質(zhì)儲(chǔ)藏系統(tǒng)的cern工程師西蒙·范德·米爾分享了1984年的諾貝爾獎(jiǎng)。(除非你已經(jīng)是巔峰人物,當(dāng)今要在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)上留下痕跡極其困難!)
第四種力是強(qiáng)作用力。它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起,并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。一般認(rèn)為,稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強(qiáng)作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強(qiáng)核力具有一種稱為禁閉的古怪性質(zhì):它總是把粒子束縛成不帶顏色的結(jié)合體。由于夸克有顏色(紅、綠或藍(lán)),人們不能得到單獨(dú)的夸克。反之,一個(gè)紅夸克必須用一串膠子和一個(gè)綠夸克以及一個(gè)藍(lán)夸克聯(lián)結(jié)在一起(紅+綠+藍(lán)=白)。這樣的三胞胎構(gòu)成了質(zhì)子或中子。其他的可能性是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的對(duì)(紅+反紅,或綠+反綠,或藍(lán)+反藍(lán)=白)。這樣的結(jié)合構(gòu)成稱為介子的粒子。介子是不穩(wěn)定的,因?yàn)榭淇撕头纯淇藭?huì)互相湮滅而產(chǎn)生電子和其他粒子。類似地,由于膠子也有顏色,色禁閉使得人們不可能得到單獨(dú)的膠子。相反地,人們所能得到的膠子的團(tuán),其迭加起來(lái)的顏色必須是白的。這樣的團(tuán)形成了稱為膠球的不穩(wěn)定粒子。
色禁閉使得人們觀察不到一個(gè)孤立的夸克或膠子,這事實(shí)使得將夸克和膠子當(dāng)作粒子的整個(gè)見(jiàn)解看起來(lái)有點(diǎn)玄學(xué)的味道。然而,強(qiáng)核力還有一個(gè)叫做漸近自由的性質(zhì),它使得夸克和膠子成為定義得很好的概念。在正常能量下,強(qiáng)核力確實(shí)很強(qiáng),它將夸克很緊地捆在一起。但是,大型粒子加速器的實(shí)驗(yàn)指出,在高能下強(qiáng)作用力變得弱得多,夸克和膠子的行為就像自由粒子那樣。圖是張一個(gè)高能質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子碰撞的照片。
圖一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子在高能下碰撞,產(chǎn)生了一對(duì)幾乎自由的夸克。
統(tǒng)一電磁和弱力的成功,使許多人試圖將這兩種力和強(qiáng)核力合并在所謂的大統(tǒng)一理論(或gut)之中。這名字相當(dāng)夸張,所得到的理論并不那么輝煌,也沒(méi)能將全部力都統(tǒng)一進(jìn)去,因?yàn)樗⒉话ΑK鼈円膊皇钦嬲暾睦碚摚驗(yàn)樗鼈儼嗽S多不能從這理論中預(yù)言而必須人為選擇去適合實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。盡管如此,它們可能是朝著完全的統(tǒng)一理論推進(jìn)的一步。gut的基本思想是這樣:正如前面提到的,在高能量時(shí)強(qiáng)核力變?nèi)趿耍涣硪环矫妫痪哂袧u近自由性質(zhì)的電磁力和弱力在高能量下變強(qiáng)了。在非常高的叫做大統(tǒng)一能量的能量下,這三種力都有同樣的強(qiáng)度,所以可看成一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。在這能量下,gut還預(yù)言了自旋為1/2的不同物質(zhì)粒子(如夸克和電子)也會(huì)基本上變成一樣,這樣導(dǎo)致了另一種統(tǒng)一。
大統(tǒng)一能量的數(shù)值還知道得不太清楚,可能至少有1千萬(wàn)億吉電子伏特。而目前粒子加速器只能使大致能量為100吉電子伏的粒子相碰撞,計(jì)劃建造的機(jī)器的能量為幾千吉電子伏。要建造足以將粒子加速到大統(tǒng)一能量的機(jī)器,其體積必須和太陽(yáng)系一樣大——這在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)環(huán)境下不太可能做到。
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