基本相互作用的统一

1、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

2、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

3、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，

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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都统一