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第8章 微物之神希格斯玻色子(第10页)

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回想一下19世纪物理学的伟大成就,由詹姆斯·克莱克·麦克斯韦发现的电力和磁力具有共同的起源。

[157]当时有明显的迹象表明二者是有联系的。

汉斯·克里斯提安·奥斯特(HansOersted)证明了变化的电场会产生磁场,而迈克尔·法拉第证明了变化的磁场会产生电场。

但是对于电磁力和弱核力,它们之间并未显示出存在着明显的联系。

电磁力的作用范围是无限的,而弱核力的作用范围仅为质子直径的1%。

尽管电磁力能够使带电粒子在空间中移动,但弱核力却可以使电荷在粒子之间移动,从而将一种粒子神奇地转化为另一种粒子。

例如,在放射性β衰变过程中,将中子转化为质子(严格来说,是弱核力将中子内一种味的夸克——下夸克,变成另一种味的夸克——上夸克)。

弱核力对于太阳至关重要,因为需要弱核力的核反应很罕见(在量子世界中,“弱”

是“不常见”

的同义词)。

之所以太阳的燃料在数十亿年的时间内逐渐消耗,而不是在一次性爆炸中挥霍掉,就是因为产生阳光的核反应链第一步的稀缺性。

这使太阳能够稳定地发光数十亿年,为进化复杂的生命提供了时间。

而且,如果这还不足以令人感激,那么弱核力对于在巨大恒星内部发生的核进程中也至关重要。

这些恒星合成了对地球生命至关重要的碳、氧和铁等元素。

[3]

弱核力似乎与电磁力差别巨大,敢于宣称它们有共同的起源的确需要勇气。

在世界上,彩虹和放射性衰变怎么就成了同一基本现象的不同方面呢?但这正是施温格在1956年提出的观点。

[158]在20世纪60年代,温伯格、萨拉姆还有其他一些人证明了施温格是对的。

也正是在电磁力和弱核力进入电弱的统一中,证明了希格斯观点的价值。

简单说一下什么是玻色子。

在自然界,粒子可以携带固有的自旋或称量子自旋,并且只能是基本自旋的整数倍(如0或1)或半整数倍(如12或32)。

前一种类型的粒子被称为玻色子(bosons),后一种类型的粒子被称为费米子(fermions)。

载力子(如光子和胶子)是玻色子;而结构性粒子(如夸克和电子)则是费米子。

粒子的自旋与其整体行为之间有着密切的联系。

根据自旋统计定理,2个性质相同的玻色子可以同时占据同一位置,但是2个费米子却不能。

这就是无法计数的光子很乐意在一束狭窄的激光中携手前行,而电子却为避开彼此而无所不用其极的原因。

正是电子的这种强烈的互斥性解释了为什么它们要占据原子中单独的轨道,从而使物质得以延展而形成固体。

在温伯格和萨拉姆的理论中,电磁力的存在是为了维持一种称为U(1)的局域规范对称性。

大体上说,就是要保持电子量子波的复杂相位在时空的每个点都相同。

弱核力的存在则是为了维持稍微复杂一点的对称性,被称为SU(2)。

该对称性涉及一个2×2矩阵,与保罗·狄拉克的著名方程式中使用的矩阵相似,但并不完全相同(请参阅第3章)。

这两种对称性合在一起,称为U(1)×SU(2)。

正如格拉肖认识到的那样,电弱载力子变成了光子和Z0子,这是由2种对称性及W-子和W+子的混合而产生的。

Z0子只不过是有质量的光子,我们可以把它看作重光(heavylight)。

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