理论教育 粒子物理学:揭示自然界的奥秘

粒子物理学:揭示自然界的奥秘

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:总结而言,根据现有的标准模型,我们的物质世界是一个粒子的世界。另外,截至目前,人们也不能依靠实验来观察到一个单独的夸克的存在。质子的质量主要来自它的结合能。目前,标准模型还不能解释自然界所有的作用力。从标准模型的粒子观点来看,每一种作用力都是靠交换玻色子来传递作用力的。

粒子物理学:揭示自然界的奥秘

总结而言,根据现有的标准模型,我们的物质世界是一个粒子的世界。物质是由亚原子粒子组成。以前人们以为亚原子粒子就是基本粒子。现在人们认识到并不是所有的亚原子粒子都是基本粒子。有些亚原子粒子,如电子中微子的确是基本粒子;但有些亚原子粒子,如质子和中子都是复合粒子(Composite particle)而不是基本粒子。

所有的物质都是由费米子组成的,费米子可以分为轻子与强子,轻子又可以再分为3个世代(见表4.3)。电子和电子家族的轻子质量都比较小,µ子和它的家族比电子和电子的亲戚要重很多,τ粒子和它的家族粒子又比µ子家族的粒子要重很多。这些轻子都是基本粒子。此外,强子并不是基本粒子,而是复合粒子。上文提到的通过对撞机发现的“粒子动物园”中的数以百计的粒子就是强子。而所有的强子都是由夸克(以及夸克的反粒子)组成。夸克才是基本粒子。现在科学家认为夸克分为6种,有3个世代,每个世代有两种夸克。每种夸克还有自己的反粒子。每种夸克又分3种不同的“颜色”:红、绿、蓝。这里所谓的“颜色”并不是真正的颜色,而是不同的属性。当把3种不同的颜色放在一起的时候,就会综合成白色。负责传递强作用力的胶子就是作用于不同的“颜色”的夸克之间。因此用来解释强作用力的理论就被称为“量子动力学”。强作用力被认为就是通过交换胶子而改变夸克“颜色”的过程。这些胶子也分为很多种,它们分别负责作用于不同颜色的夸克之间。

弱作用力则是交换W粒子和Z粒子来改变夸克的“味道”(flavor),所谓“味道”也不是真正的味道,而是物理学家把同一个世代的两种夸克称为有不同的“味道”。例如上夸克和下夸克就是有不同的“味道”,就好像一个是甜的,一个是咸的。当把一个甜的夸克变成了一个咸的夸克(例如把上夸克变成了下夸克),发生的作用就叫作弱作用力。

通过有3个世代,3种“颜色”和两种“味道”的夸克,物理学家就可以用它们来解释各式各样的复合粒子的结构。虽然这个理论框架看似简单,但如果要用它来解决具体的应用问题还有不少复杂的计算。另外,截至目前,人们也不能依靠实验来观察到一个单独的夸克的存在。人们也不能侦察到单个的胶子。现在的理论认为,这是由于“夸克禁闭”(quark confinement)导致的现象。简单来说,要把两个夸克分开,就像在拉橡皮圈一样。当越用力地拉一个橡皮圈,橡皮圈绷紧以后就越难拉。因此我们可以想象,当两个夸克的距离越大时,要分离它们的能量就越高。所以在实验上,是无法分离出单个的夸克的。(www.daowen.com)

还有一个问题,对于重子而言,它的质量并不是其组成的夸克的质量的叠加。其质量的很大一部分来源于其中的夸克与夸克之间的结合能(binding energy)。例如质子是由uud夸克组成,u夸克的质量为2.3 MeV,d夸克的质量为4.8 MeV,因此uud夸克的质量的和为9.4 MeV,而一个质子的质量为938 MeV,显然3个夸克的质量总和也只是质子质量的1/100。质子的质量主要来自它的结合能。

目前,标准模型还不能解释自然界所有的作用力。从标准模型的粒子观点来看,每一种作用力都是靠交换玻色子来传递作用力的。因此,每种作用力都会对应着某种玻色子。例如,电磁力就是靠交换光子完成的,弱作用力是靠交换W粒子或是Z粒子,强作用力是靠交换不同的胶子。那么,万有引力呢?现在的量子场理论还没有办法成功解释万有引力。人们推测万有引力要靠交换“引力子”(graviton),其自旋为2。但如果把这些性质放入现在的量子场理论中,其结果是不收敛的,也就是说其计算的结果会变成无穷大。因此,至今为止,还没有一种成功的引力的量子场理论。另外,在实验上,也从来没有证据侦测到有一种像“引力子”一样的粒子的存在。

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