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第8章 微物之神希格斯玻色子(第5页)

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那就是强核力(strongnuclearforce)和弱核力(weaknuclearforce),这两种力都只在极小的原子核范围内起作用。

第一个认真思考规范原理不仅是理解电磁力的关键,也是理解强核力和弱核力的关键的人是华裔物理学家杨振宁。

马塞尔·普鲁斯特(MarcelProust)写道:“真正的探索之旅不在于发现新的风景,而在于拥有新的视角。”

20世纪50年代,杨振宁和美国物理学家罗伯特·米尔斯(RobertMills)合作,以全新的视角观察世界,写下了一个量子场必须遵守的方程,以强制波函数具有更普适的局域规范对称性(localgaugesymmetry)。

杨-米尔斯方程(Yaion)揭示了电磁场是可能存在的最简单的规范场。

这个场不仅由单一的规范粒子传递,而且这个粒子(光子)不带电荷。

由于粒子与电磁场相互作用要有电荷,因此光子不受电磁力的影响。

然而,在杨-米尔斯方程允许存在的更复杂的规范场中,载力子[1]确实携带电荷。

这些类似电荷的东西同样既不能被创造,也不能被消灭,导致载力子受规范场影响。

例如,在强力的情况下,这类粒子不仅与场相互作用,而且以难以预测的复杂方式彼此相互作用。

这在早期阻碍了物理学家们发现强核力是局域规范不变性的结果,他们错误地认为,强核力主要在质子和中子之间起作用。

直到20世纪60年代末,人们才清楚地认识到,质子和中子是复合粒子,而它们的组成部分夸克才是强核力结合的对象。

但是那些秉持基本力是局域规范不变性结果观点的人面临着更大的障碍。

20世纪30年代,保罗·狄拉克的电子的量子场论一直被发散的方程式和荒谬的预测困扰。

尽管有可能通过数学技巧消除这种无穷大,但问题是,这种重整化(renormalisation)只有在载力子没有质量的情况下才有效。

在电磁场中,虽然规范粒子就是光子,但对于强核力和弱核力却似乎并非如此,这也暗示了这两种力是短程力。

在量子图景中,力被看作由一种亚微观的网球运动引起的现象。

粒子与粒子之间相互传递载力子,导致粒子相互反冲。

尽管这幅图景大体上描述了量子力,但就像许多其他科学类比一样,描述并不完全符合事实。

因为这其中只解释了斥力的起源,但没有涉及吸引力。

这是因为控制亚微观世界的定律不同于控制宏观日常世界的定律,诸如光子之类携带力的粒子具有一种非常特殊的品性。

如前所述,物理学的基石之一是能量既不能被创造,也不能被消灭,只能从一种形式转化为另一种形式。

然而,在量子世界里,却有奇异的一面。

能量可以凭空产生,严格地说,能量可以从真空里变出来,只要能迅速还回去,大自然就会默许这种情况的发生。

1905年,爱因斯坦发现质量是能量的一种形式——有可能是能量存在的最集中的形式,所以从真空中凭空出现的能量可以变成亚原子粒子的质能。

这样的粒子,由于其短暂的存在,而被称为虚粒子(virtualparticle),以区别于真实粒子。

事实证明,从真空中借来的能量越多,还回去的速度就必须越快。

因此,虚粒子的质量越大,存在的时间就越短暂,在消失回真空之前所能走的距离也就越短。

因为光子没有静止质量,只要很少的能量就能产生,所以需要归还的能量也很少。

这意味着光子可以存在很长一段时间,能到达宇宙最远的角落。

这就是为什么电磁力的作用范围不受限制。

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