基本相互作用的统一

基本相互作用的统一基本相互作用的统一 微观粒子之间存在着多种多样的相互作用 正是由于这些相互作用导致了粒子的产生 湮灭和相互转化 构成了粒子运动的丰富生动的图像 据迄今所研究的微观粒子之间 人 们发现它们之间存在着四种基本相互作用 长期来 粒子物理学家一直在探索研究 它们 是否可以从更深刻的角度统一起来 微观粒子之间的基本相互作用 按其作用的强度 主要有以下四种 强相互作用强相互作用 结合核子成为原子核的核力以及介子和重子相互碰撞时产生粒子过程的相互作用均属 此类 表征其强度的数量级约为 1 10 其有效力程约为 10 13 厘米 当两个强子相互接 近到相距 10 13 厘米左右时 它们几乎肯定会发生强相互作用 假定粒子的速度接近光速 那么通过这段 10 13 厘米的有效力程时 所需要的时间将是 10 23 秒 也就是说 强相 互作用在 10 23 秒内进行完毕 这个时间就成了强相互作用的特征时间 在强相互作用 的过程中所有守恒定律都成立 具有最高的对称性质 光子和轻子没有直接的强相互作用 而重子和介子具有直接的强相互作用 所以我们把重子和介子统称为强子 电磁相互作用电磁相互作用 所有荷电粒子和光子之间的相互作用 其强度的数量级约为 10 2 其有效力程可达 无穷远 当然作用力的大小还是随距离增加而减小的 光子是电磁作用的媒介粒子 荷 电粒子之间的电磁作用是由于它们之间交换了光子而形成的 守恒定律中例如同位旋守恒 在电磁相互中遭到破坏 电磁相互作用的特征时间约为 10 21 秒 电磁相互作用理论是目 前各种相互作用理论中发展得最完整的理论 也是各种相互作用理论的典范 弱相互作用弱相互作用 除光子外 粒子都具有弱相互作用 主要表现在粒子衰变过程之中 其强度的数量级 在低能时约为 10 6 在高能时可达 10 5 守恒定律中例如同位旋 奇异数 宇称 电荷共 轭等不变性均遭到破坏 弱相互作用的有效力程 10 15 厘米 即使在这样短的距离内弱 作用粒子相互作用的几率也只有 10 10 弱相互作用产生所需要的时间可由 10 18 秒直到 15 分钟 引力相互作用引力相互作用 所有粒子都具有引力相互作用 其强度数量级约为 10 38 其力程可达无限远处 由 于其强度极小 而微观粒子的质量又都很小 因此在微观粒子领域里 引力相互作用相对 于其他相互作用常常是可忽略不计的 然而在宏观物体特别在天体物理领域里 因物体质 量巨大 引力相互作用则起主导作用 由此可见 这四种基本作用中 相互作用愈强 所服从的守恒定律就愈多 对称性也 就愈高 所涉及的粒子却愈少 相反 相互作用愈弱 守恒定律被破坏的就愈多 对称性 也就愈低 所涉及的粒子也愈多 应该指出 此处所谓相互作用的强度是指在一定标准条 件下的粗略的数量级的估计 每一种相互作用的大小常常是与粒子所处的状态有关的 例 如在极高能的条件下 弱相互作用可以变得很强 而强相互作用可以变得很弱 弱电统一理论弱电统一理论 四种基本相互作用统一的探索研究 一直是现代物理学家所关注的重大课题 爱因斯 坦在建立广义相对论后 花很长时间致力于统一场论的研究 他希望能建立一个电磁作用 和引力作用相统一的理论 爱因斯坦的这个探索研究没有取得成功 现在看来 主要在于 物理学的发展在当时条件还不够成熟 当时尽管对电磁作用和引力作用的规律认识比较清 楚 但是对弱作用和强作用这两种只有在微观粒子领域才明显呈现短程相互作用的规律却 知之甚少 粒子物理学几十年的探索研究表明 首先取得成功的是弱相互作用和电磁相互 作用之间的统一 1961 年 美国物理学家格拉肖首先提出了弱相互作用和电磁相互作用统一的猜想 预 言中性弱流的存在 这就为弱相互作用和电磁相互作用统一的研究拉开了序幕 其后 美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆分别于 1967 年和 1968 年各自 独立地提出把弱相互作用和电磁柑互作用统一起来的具体方案 这方案把电磁相互作用的 规范粒子 光子 和弱相互作用的规范粒子 中间矢量玻色子 W 中性矢量介子 Z 联在一 起 把它们看成是同一矢量粒子家族中的成员 并采用希格兹 Higge 机制 使弱相互作 用的规范粒子获得质量 同时猜想这个理论能够重整化 这就是所谓温伯格 萨拉姆弱电统 一轻子模型理论 简称 WS 理论 弱电统一理论除了可以解释已知的弱相互作用和电磁相互作用的基本规律外 还要求 存在 弱中性流 即不转移电荷的弱相互作用过程 在研究弱相互作用的几十年间 这 种过程始终没有被发现 但是 由于格拉肖对它们的存在提出预言 便在短短的几年间 即 1973 年 在西欧核研究中心首先发现了中性流的径迹记录 随后又在费密实验室等处 从中微子诱发的反应中观察到这类过程 这就表明格拉肖所作的理论预言是正确的 至于弱电统一理论最直接的实验验证 应是传递弱相互作用的 W 粒子和 Z 粒子的发现 理论预言 W 粒子的质量为 82 0 2 4 GeV Z 粒子的质量为 93 0 2 0 GeV 由于这 些粒子质量约为质子质量的 87 99 倍 一直到 80 年代初才有可能在用加速器所进行的 实验中产生 1982 年 西欧核研究中心发现了 W 粒子 其质量为 80 9 1 5 GeV 1983 年 西欧核研 究中心又发现了 Z 粒子 其质量为 95 6 1 4 GeV W 粒子和 Z 粒子的发现 进一步支 持了弱电统一理论 大统一理论大统一理论 正是在弱电统一理论的启发下 人们又去探索研究强 电 弱三种相互作用的统一 大统一理论 尽管物理学家提出了许多种大统一模型 各有不同的特点 但是迄今为止 还没有任何一个大统一模型得到实验的判定性检验 比较而言 SU 5 模型可以概括的已知规律很多 同时又不引入过多的未发现的粒子 比起其他模型处于更重要的地位 事实上许多模型都是以 SU 5 模型为基础而建立的 SU 5 模型的基础是强相互作用的色动力学理论和弱电统一模型 它可以解释这两个 理论可解释的实验 SU 5 在把强相互作用和弱相互作用进一步统一起来时 所得出的新 结果可以算出弱电统一模型中未知参数的值 且和实验测得的值相符合 SU 5 模型中最 重要的和过去理论不同的结果是预言质子可以衰变 其值小于 1031 年 然而目前实验值为 大于 1032 年 因此现有实验并不有利于 SU 5 大统一模型 80 年代以来 许多物理学家又在探索建立超对称大统一模型 在这种模型中把四种基 本相互作用