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发信人: redfox (食人族), 信区: Science
标  题: 漫谈统一场理论(二)：基本粒子和作用力
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年06月16日20:40:18 星期五), 站内信件

统一场论是指微尺度上的量子力学和大尺度上的相对论力学的统一，诉诸于物理概
 
念，就是力的统一。 
  
自然界五花八门的力可分为四种：引力(Gravitation)、电磁力
(Electromagnetism)、 
两类核作用力(Nuclear force)---弱作用力和强作用力。其中引力服从于相对论力
 
学理论，其他三种力服从于量子力学理论。统一场论的要求就是找到一个单一的数
 
学语言描述这四种力。由于各类粒子对以上四种力的感觉不同，当今流行的构造统
 
一场论的方法是，将对应于不同种力的粒子用同一理论框架维系起来。 
  
基本粒子的学说可以追述到古希腊哲学家流西普斯(Leucippus)和德谟克里特斯
(Democritus 
。大约公元前四百年，德谟克里特斯提出原子论。他认为大千世界由虚空和原子
(atoms) 
构成，原子不生不灭，是物质能够分割的最小单位。这种观点持续了两千多年，直
 
到十九世纪，汤姆生(Thomson)等发现了电子，人们才知道原子内部并非是充实的
， 
里面还有更小的粒子在运动。二十世纪，物理学家发现了原子的基本模型，以后中
 
子及各种介子相继发现，基本粒子也就越来越小了。 
  
如今我们明了，原子中的核子：质子、中子等是由叫做夸克(quarks)的更小粒子组
 
成。夸克以两个或三个一组结合生成核子。想要解释目前已知的核子，就必须有至
 
  
少六种夸克：u(up)夸克、d(down)夸克、s(strange)夸克、c(charm)夸克、
t(top)夸 
克、b(bottom)夸克。原子中不是由夸克组成的基本粒子有电子、两种类似电子但
比 
电子重的粒子、三种微中子(neutrinos)，这六种粒子统称为轻子(leptons)。每一
 
种粒子都有相应的能互为湮灭的反粒子。 
  
值得强调的一点是：粒子可分为两类，自旋为整数倍的具有交换对称性的玻色子和
 
自旋为半奇数倍的具有交换反对称性的费密子。这两类粒子在构成物质和承受传递
 
力上所起的作用有著本质的区别。费密子服从泡利不相容原理，这是宇宙之所以没
 
有坍缩成一锅粥的原因。核作用力对这两类粒子的作用各不相同，弱核力仅作用在
 
费密子上；玻色子交换时，描述体系的哈密尔顿量(即系统的波函数)并无变化，因
 
而可以产生很强的力。 
  
物质的组成和运动，是因为力在粒子间的作用。上述四大种力在自然界扮演的角色
 
各不相同。引力和电磁力是我们大家所熟悉的。强核力将存在于质子、中子等重子
 
(baryon)以及介子(meson)间的夸克维系在一起，这需要八种不同的传递粒子
(messenger 
particales)，它们被统称为胶子(gluons)。胶子互换时，产生的力会随距离增长
而 
增大，故此夸克不可能逃逸出核子外。弱核力决定原子核的稳定，相应的三种传递
 
粒子称为W+、W-、Z0。 
  
我们每天感受到的来自太阳的光和热，是因为太阳在强作用下核反应放出的能量。
 
现实中，我们很难看到弱作用所产生的现象。1987年，大麦哲伦星云(Large 
Magellanic 
Cloud)有颗超新星(supernova)爆炸发出一阵光芒，是弱作用力的产物。原因是那
颗 
超新星坍缩时释放出大量的微中子，这些微中子只能凭借着弱作用力爆开星球外层
 
而逸出。 
  
力的统一远早于统一场论的提出。量子论和相对论还没有影子的十九世纪中叶，法
 
拉第和麦克斯威尔就将电力和磁力合二为一了。这个例子一直为当今持统一场论论
 
调的物理学家们津津乐道，很大原因是描述电磁场的Maxwell方程精美绝伦。电磁
理 
论得出后，有些物理学家(譬如法拉第)基于库仑引力的公式和牛顿引力的公式外观
 
上太象，因而怀疑电磁力和万有引力间存在某种内在关系。这大概可以理解为统一
 
场论的雏形吧。 
  
经理论物理学家的努力，将电磁力、弱核力、强核力统一的大统一理(GUTs, Grand
 
Unified Theories)获得了一定的进展。上世纪六十年代末，格拉休(Sheldon 
Glashow)、 
萨拉姆 (Abdus Salam)、温伯格 (Steven Weinberg)提出了电弱理论
(electromagnetic- 
weak theory)，被认为是统一了电磁力和弱作用力。近二十年来，物理学家们作了
 
许多将上述两种力与强作用力合并的尝试，得到了些有趣的结果。 
  
凡是科学结论必需具有证伪机制。大统一理论也一样。大统一理论预言夸克和轻子
 
的等同性，这一理论将导致质子衰变为正电子(positron)。但这个证伪实验有很大
 
的困难：理论上在最少10^32个质子中每年大约仅有一个会发生衰变。大统一理论
的 
另一预言是存在磁单极(magnetic monopoles)。磁铁均有南北两磁极，大统一理论
 
给出粒子携有单个磁南极或磁北极的可能性。不过，严格地说，以上两个实验不是
 
证伪，毋宁说是证实，因为实验成功增加了大统一理论成立的可信度，但实验却缺
 
乏否定机制，即没有推翻大一统理论的机制。我们只要回忆一下观测光的引力弯曲
 
的实验就可以明白证伪实验与证实实验的区别。当年如果观测到的现象不符合爱因
 
斯坦广义相对论推演的结论，广义相对论就会被推翻，或至少要作重大的修正。 

  
待续： 
(三)：超对称性和超弦理论 
(四)：时空奇点：黑洞 
(五)：开始之前---Pre-big bang理论简介 
…… 

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