弱相互作用和电磁相互作用的统一理论电弱理论的发展和统一

弱相互作用和电磁相互作用的统一理论电弱理论的发展和统一

1利用强和短程作用统一协调的问题引文相互作用、弱相互作用、电相互作用和强相互作用是自然界的四种基本相互作用。到目前为止，所有自然界的物理现象都可以通过这四种基本相互作用来解释和解释。其中,引力相互作用存在的范围最广,存在于质体之间,是一种长程作用,是4种基本作用中最弱的;弱相互作用是比引力相互作用强一点的作用,是存在于除光子外所有粒子之间的一种短程作用,强度远小于电磁相互作用和强作用;电磁相互作用只存在于带电物体或具有磁矩的物体之间,是一种长程作用;强相互作用存在于强子之间,也是一种短程作用,是4种基本作用中最强的。物理学家们一直试图找到能把这4种基本作用统一起来的途径,爱因斯坦就曾耗费了很大的精力致力于在经典物理的框架下建立一个单一自洽的场论模型,从而能够解释自然界中所有基本相互作用,但没有成功。可以说,这4种相互作用的统一是许多科学家的梦想,但是这一统一之路充满艰辛,至今仍有许多难以克服的困难。在规范场理论发展起来以后,弱相互作用和电磁相互作用的统一理论才得以提出,简称弱电理论,这一理论目前已经取得了很大的成就。物理学理论取得的这一突破成就,可以与当年麦克斯韦把电与磁统一在一起相比。电弱统一理论给出了大量的预言,这些预言的实验证实为这一理论的正确性提供了检验标准。2理论的重正化和规范场的统一弱相互作用的强度比电磁相互作用弱很多,它们看似是完全不同的两种自然相互作用,但科学家发现这两种基本作用的数学描述在某些方面还是具有相似性的,弱相互作用和电磁相互作用的统一并非没有可能。李政道和杨振宁关于弱相互作用中宇称不守恒的发现使人们认识到,弱相互作用和电磁相互作用之间有某种共同点,弱相互作用是一种普适的V-A型理论。1957年,施温格最早给出了弱相互作用和电磁相互作用的统一形式。他在论文中提出弱相互作用是由光子和弱作用中间玻色子W+和W-传递的,非常直接地将弱相互作用和电磁相互作用统一了起来。但是这个理论是张量型的而不是V-A型的,并且没有考虑弱中性流,因此没有成功。施温格让他的学生格拉肖继续从事这项研究,格拉肖接受了施温格的提议,因为他对规范不变性和重正化很感兴趣。格拉肖在其1958年的博士论文的附录中就体现了其弱电统一的一些初期想法,后来他又将这篇附录进行了扩展,于1959年发表了一篇题为《矢量介子相互作用的可重正性》的论文,主张弱电统一理论应以杨-米尔斯规范理论为基础。但随后萨拉姆指出其论文无论是数学上还是物理上都存在错误。因为格拉肖声称他的理论是可重正化的,而萨拉姆受施温格的启示,也致力于弱电统一理论研究,他对重正化技术十分熟练,但无法克服无穷大问题,因此,当格拉肖声称其理论可重正化时,他十分惊讶,对格拉肖的理论进行了仔细研究,很快就发现格拉肖的理论存在错误。格拉肖没有灰心,继续沿着这条路探索。1961年他发表了题为《弱相互作用的部分对称性》的论文,文中大胆假设“为了得到统一的弱作用和电磁相互作用理论,必须在仅有的一个矢量玻色子三重态假设之外,再引入另外的中性矢量玻色子。”这种弱中性流是一种全新的假设,十几年后被证实是正确的。格拉肖从这两种基本作用的数学描述中发现了它们具有某些相似性,他巧妙地运用“规范场”的方法,搭起了弱相互作用和电磁相互作用统一的桥梁。但是,格拉肖的理论仍然面临巨大的困难,他没有解决规范粒子的质量问题和重正化问题。弱相互作用的强度非常小,但传递弱作用的粒子的质量为何会有质子质量的几十倍甚至到百倍呢。而另一位科学家温伯格,即格拉肖的同事,也在研究自然基本相互作用的统一问题,在自发破缺对称性问题上也遇到了类似的问题,即哥德斯通粒子的问题。温伯格与萨拉姆、哥德斯通曾一起合作了这一段研究,但是这个问题依然没有解决。温伯格后来注意到英国物理学家希格斯1964年提出了一种机制,利用真空的某些性质可以使本来没有质量的规范场获得质量。受此启发,温伯格运用希格斯机制在1967年成功地把弱相互作用和电磁相互作用统一了起来。巴基斯坦物理学家萨拉姆也注意到了希格斯机制,他的研究也获得了类似的结果,说明了规范场粒子是可以有静止质量的,并计算出其与弱相互作用耦合常数和电磁相互作用耦合常数的关系。更重要的是,格拉肖、萨拉姆在这个理论中也预言了弱中性流的存在,但由于当时没有实验的支持,这个理论也未引起人们的注意。3实验难—电弱理论的实验验证到1967年,尽管已经建立了正确的弱电统一规范理论。但由于没有实验验证,此理论并没有引起人们足够的重视。这个理论有一个很重要的预言,就是弱中性流的存在,但是当时并没有实验观测到这种现象。直到1973年,经过许多科学家的不懈努力,终于得到了实验证实,弱电统一规范理论才开始引起重视。这个实验验证是由美国费米实验室和欧洲核子中心的气泡实验各自做出的。也因此,格拉肖、温伯格、萨拉姆分享了1979年的诺贝尔物理学奖。而弱电理论的最终验证需要找到弱作用传播子W±和Z0,这难度非常大,只有具备了两个条件才可能找到弱作用传播子:其一是只有进行对撞的粒子获得了足够高的能量,才有可能产生重质量粒子W±和Z0,这一困难的解决归功于鲁比亚;其二是即使产生了重质量粒子W±和Z0,实验观测仍有很大困难,只有进行碰撞的次数足够多,才有可能观测到,这一困难的解决归功于范德梅尔。1976年6月17日,欧洲核子研究中心最大的质子同步加速器———SPS投入使用,但是仍不能满足实验要求,于是,鲁比亚建议改造SPS,将其作为正反质子的储存环,让质子束和反质子束在环中沿相反方向作高速绕环运动,然后在特定位置相互碰撞。这样,就可让进行对撞的粒子获得足够高的能量,从而具备了实验的初步条件。同时,在存储环的周边安置两个碰撞点,并安装探测系统,对碰撞产生的粒子的信息进行记录,这样便可以进行寻找弱作用传播子W±和Z0的实验。但是,还有一个很大的困难,就是反质子不能自然地产生,要想得到高密度的反质子束是极其困难的。范德梅尔为此提出了一个非常聪明的随机冷却法,这是一种束流冷却法,首先通过测量,确定粒子束流的重心线,然后用冷却装置的电场使重心线逐渐恢复到设计轨道上去,因为粒子在加速过程中会横向发散,偏离设计轨道,这样就难以得到高密度的粒子束,冷却束流,就是减小这种发散度,使束流密度得到提高,从而实现高密度的正反质子束团对撞,使弱作用传播子W±和Z0的发现成为可能。1983年1月20—21日,欧洲核子研究中心的两个实验组分别宣布发现了W±粒子,与弱电统一理论所期待的特性完全相符。但是,Z0的发现要比W±困难得多,因为产生Z0的机会要比产生W±的机会小10倍,因此,实验组仍需要提高加速器束流密度,又花费了4个月时间才解决了这个问题。1983年5月4日,鲁比亚领导的实验组终于找到了第一