微观宇宙
1964年盖尔曼提出的理论
微观宇宙简单的说,你可以把各个星系看成是一个个原子和分子,中心高质量的恒星是原子核,围绕它的是电子。虽然你了解的电子是无规则运动,但是原子本身的运动你是无法捕捉到的。譬如说太阳系吧,其实只有八颗行星,冥王星也许只是其他原子核外游离电子。
1964年盖尔曼提出了夸克模型,认为介子是由夸克和反夸克所组成,重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。
原子是由原子核和电子构成的,原子核是由质子和中子构成的,质子和中子是由什么构成的呢?这的确是轮中之轮!这些新发现的物质的基本构件构成了质子和中子,当时还没有名称。盖尔—曼于是便杜撰了一个名称——夸克。而这名称还真的就这么叫上了。强子是由夸克构成的。古希腊人认为,一切物质都是由为数不多的基本粒子(即他们所谓的“原子”)构成的。这一伟大的原理已被事实证明不那么好理解。基本粒子是否就是夸克?难道夸克也是复合体吗?我们一会儿再来讨论这个问题。
夸克以两种构型附着在一起。一种构型是两个夸克附在一起,另一种构型是三个夸克附在一起。两个夸克在一起就构成了介子,三个夸克在一起就构成了重子。夸克也有量子能级。能够通过吸收能量而受激进入较高的级位。受激的强子看上去与其他的强子一样,于是,很多先前被认为是独立的粒子被看作是单个夸克结合的受激状态。
为了解释所有已知的强子,就必须设想夸克不止一种。在20世纪70年代初,人们设想有三种“味道”的夸克。这三种夸克被异想天开地称作“上”、“下”、“奇”。后来,出现了更多的强子,又多出了第四种夸克,即“粲”夸克。近来,出现了更多的粒子,人们认为还得有另外两种夸克:“顶”夸克和“底”夸克。很多种粒子作用都可以借助详细的夸克计算获得系统的了解。
夸克理论的基本预设是,夸克本身是真正浑然一体的基本粒子,是一种象点一样的物体,没有内部成分。在这方面,夸克颇象轻子,因为轻子不是由夸克组成的,它们本身似乎就是基本粒子。事实上,夸克和轻子之间有着自然的对应,使人们获得意想不到的机会得以洞见大自然的运作。 夸克和轻子之间的系统联系见下面的表1。表右边一栏是夸克的味道,左边是已知的所有轻子。要记住,轻子感受到的是弱力,而夸克感受到的是强力。轻子和夸克之间还有一个区别是,轻子或是不带电,或是只带1个单位的电荷;而夸克则带3分之1或3分之2单位的电荷。
尽管轻子与夸克有着如许的差别,但二者之间存在着深刻的数学对称,使轻子和夸克在上面的图表中有了逐层面的对应。第一个层面只有四种粒子:上、下夸克、电子及电中微子。奇怪的是,一切普通的物质竟全是这四种粒子构成的。质子和中子是由3个3个的夸克组成的,而电子只是充任构成物质的一种亚原子粒子。中微子只是跑进宇宙里,一点也不参与物质的大体构造。就我们所知,假如其他的粒子都突然消失了,只要有这四种粒子,宇宙就不会有多大变化。
亚原子粒子可分为两大类:轻子和夸克。夸克没有被发现单独存在,而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。一切普通的物质都是由Ⅰ层面的粒子构成的。Ⅱ层面和Ⅲ层面似乎是Ⅰ层面的简单复制,其中的粒子是高度不稳定的。可能尚有未发现的层面。
下面一个层面的粒子似乎就是第一个层面的复制,只不过较重而已。第二个层面的粒子都极不稳定(中微子例外),它们所构成的各种粒子很快就衰变为层面Ⅰ的粒子。第三个层面的粒子也是这样。
于是就必然产生这样的问题:层面Ⅰ之外的其他粒子有什么用处呢?为什么大自然需要它们?在形成宇宙的过程中,它们扮演了什么角色?它们是多余的赘物?或者,它们是某种神秘的、尚未完全明了的过程的一部分?更为令人不解的问题是,随着将来能量越来越高的粒子加速器的出现,是否也只有这三个层面的粒子?是否会发现更多的或无穷多的层面?
还有一种复杂的情况加深了我们的不解。为了避免与量子物理学的一个基本原则相冲突,我们必须设想每一种味道的夸克实际上有三种不同的形式,即人们所说的“颜色”。任何一个给定的夸克都必须被看作是某种多层电镀(比喻说法)的叠加,不断地闪现出(又是一个比喻说法)“红”、“绿”、“蓝”的颜色。这样一来,一切又看上去象是乱了套的动物园了。但是,收拾局面的方法就在眼前。对称又来救驾了。不过,这一次的对称,其形式更微妙,更深奥,怪不得被人们称作超对称
为了理解超对称,我们就得说说物质基本结构分析的另一个大线索:力。不管粒子动物园有多么纷坛复杂,其中看来只有四种基本的力:引力,电磁力(因与日常生活密切相关而广为人知),弱作用力和强作用力。中子和质子之间的强力,当然不可能是基本力,因为中子和质子本身就是复合物而不是基本粒子。当两个质子相互吸引时,我们实际上看到的,就是六种夸克相互作用的合力。夸克之间的力才是基本力。可以用描述电磁场的方式描述夸克之间的力,而夸克的色就相当于电荷。质子的对应物是所谓的“胶子”,其作用就是我们先前说过的象仿使那样,不断地在夸克之间来回跳动,将夸克胶结在一起。物理学家们仿照电动力学,把这种由“颜色”产生出来的力场理论叫作色动力学。色动力作用要比电磁力作用复杂。这有两个原因。第一,夸克有三色,而电荷却只有一种,于是,与一种光子相对应的就是八种不同的胶子。第二,胶子也有颜色,因而彼此也有很强的相互作用,而光子不带电荷,彼此间又是那么不相干。
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最新修订时间:2024-02-20 07:30
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