物理世界奇遇记-15

对于带有ｔ、ｂ、ｃ、ｓ等夸克的强子来说，情况也是这样。这些强子一旦在高能碰撞中产生，它们的ｔ、ｂ、ｃ、ｓ等夸克立即转变成不同味的较轻夸克。例如，奇异粒子Λ０（ｓ，ｕ，ｄ）的衰变　　　　Λ０→ｐ＋π－就是由于它的ｓ夸克转变成ｕ夸克。这正是新产生的粒子不可能长期存在的原因：它们一产生出来，便马上衰变成比较轻的粒子。这也正是为什么组成我们这个世界的物质几乎全部由两种最轻的夸克ｕ和ｄ加上电子构成的原因。　　为了进一步认识弱相互作用力，我们得稍稍回顾一下前面所走过的路。当我第一次谈到自然界中不同的作用力时，我是把电力和磁力分开的。这确实是它们最初被观察到的情况——它们表现为不同类型的力。19世纪60年代，正在奋力工作的天才麦克斯韦把当时已知的全部电现象和磁现象收集在一起，并且认识到它们全都可以用一种单一的力——电磁力——来加以解释。　　但是，这种对不同的力进行统一的过程并没有就此停止。温伯格（1967年）和萨拉姆（1968年）在格拉肖早期工作的基础上，成功地建立了一个优美的理论，把电磁力和弱相互作用力看做是一个单一的力——电弱力——的不同表现形式，从而把它们统一起来。　　要想能够做到这一点，就必须假定弱力像我们已经讨论过的其他力一样，也是通过交换某种粒子来传递的。温伯格他们的理论预言说，起这种作用的粒子有３种，即Ｗ＋粒子、Ｗ－粒子和Ｚ０粒子。但是在当时，这３种粒子都还没有发现过。　　1983年，由于成功地发现了这些粒子，上述理论被证明获得了全胜。同其他新粒子一样，这３种粒子也是不稳定的，比方说，它们会按照下面的方式衰变：、　　Ｗ－→ｅ－＋νｅ　　或　　Ｚ０→νｅ＋νｅ－Ｚ０粒子的衰变特别有趣，它不仅能衰变成（νｅ＋νｅ－），而且还能衰变成（νμ＋νμ－）、（ντ＋ντ－），或除当时已知的３种中微子以外，可能存在的其他类型的中微子－反中微子对。Ｚ０粒子的衰变渠道越多，它就会衰变得越快。这样一来，Ｚ０粒子的寿命就提供了一种灵敏有效的手段，可以确定究竟会有多少种中微子－反中微子组合。对Ｚ０粒子寿命的测量表明，实际上只有３种中微子，也就是我们已经发现的那３种。由此可以作出结论说，轻子的双重态也只有３种。　　不仅如此，由于轻子双重态同夸克双重态组成３个代，我们就有理由推论说，夸克双重态大概也只有３种。换句话说，夸克的味只限于６种。这是非常重要的。夸克一直有一种令人困惑的特点，那就是每一种新发现的夸克总要比其先行者更重一些，次序是：ｕ（5 MeV），ｄ（10 MeV），ｓ（180 MeV），ｃ（1．6GeV），ｂ（4 GeV），ｔ（180 GeV）。 较重的夸克意味着由它构成的强子也会比较重，而强子越重，也就越难以产生。这就引起了人们的关注：是不是可能还有一些未知的味，我们之所以从来没有发现它们，只不过是因为从物理上说，我们还不拥有足够产生它们的能源（在高能物理学的预算里，耗尽地球的全部国民生产总值之前，我们还能建造成多大的同步回旋加速器呢）？不过，感谢Ｚ０粒子的帮忙，目前这个问题已经不复存在了，我们完全有理由相信，自然界中只存在我们已经发现的６种味。　　因此，基本粒子一览表就变成这样了：　　（i）　６种夸克和６种轻子；　　（ii） 12种中介粒子，其中包括８种胶子、光子、Ｗ粒子和Ｚ０粒子。　　这样一来，我们便得到了粒子物理学的所谓标准模型——这个理论概括了我们所提到的一切构成自然界的组成部分和它们之间的作用力。到今天为止，所有已经做过的实验都同这个理论相一致。　　那么，将来会怎样呢？　　有一条重要的研究路线是打算把各种力统一起来。正如电力和磁力首先得到统一，然后这个合成的电磁力又和弱力联合在一起那样，也许有朝一日，人们会认识到，电弱力和强力也是一种共同的相互作用的不同表现形式。目前已经发现，当能量变得越来越高时，强力和弱力的强度却会降低，而电磁力的强度却会增大，它们似乎将在某一点上会聚起来。按照当前流行的理论，当能量达到1015 Gev左右时，所有这几种力将有可相比拟的强度。如果这一点被证明是正确的，那么我们就会知道，我们所碰到的是一种单一的大统一力（我觉得这个名称有点太过分了，但是，人们就是这样称呼那种力的）。　　这里有一个问题：1015 GeV是永远无望在实验室里产生的能量（能产生这种能量的同步回旋加速器将是太大太大了）。目前我们所能达到的能量极限是103GeV。但是，希望仍然存在。尽管这样高的能量条件是无法达到的，人们依旧期望在普通能量条件下能出现一些有价值的剩余效应。　　例如，有人曾提出一种使质子经过很长时间进行衰变的理论方案，其衰变的模式是　　　　ｐ→ｅ＋＋π０目前，人们正在寻找质子有没有这种不稳定性的表现，但直到今天，还没有一个人发现它。尽管如此，大家还是认为研究质子的衰变，可能是我们在不必再现超高能的条件下，能够探索大统一的方方面面的一种办法。　　但是我应该指出，虽然我们不能在实验室里创造这种超高能的条件，然而这样的条件却曾经一度出现过。我指的是紧接着大爆炸的瞬间，宇宙所出现的状态。在那个时候，宇宙是由各种基本粒子密集混合而成的，这些粒子一面进行随机运动，一面互相碰撞。当时的温度极高，也就是说，粒子的碰撞可以用我们刚才提到的那种异常高的能量来加以描述。　　因此，我们可以想象到，在宇宙的早期状态中（这里的“早期，是指大爆炸后大约10-32秒内），温度为10 27 K，而能量为1015 GeV。那时，强力、电磁力和弱力全都具有相同的强度。此后，由于宇宙发生膨胀，它便逐渐冷却下来。这时可用于进行碰撞的能量比较小，并且比较难以产生较重的粒子。这又意味着，各种不同的作用力开始获得它们的特殊性。我们把这种情形称为对称自发破缺。　　让我来作个类比吧！当水冷却到冰点以下时，它就会发生相变，形成冰晶体。尽管在液体的条件下，所有方向都是等效的，但晶体却有非常确定的晶轴。这就是说，在结晶的过程中，它必须在空间选定某些方向作为晶轴的方向。不过，这些方向并没有任何特殊意义，因为它们的选择是非常任意的。在水中某个地方形成的第二块晶体几乎必然会采取某种别的取向。因此，虽然晶轴是晶体的一个非常明显的特点，但是它们的取向并没有任何根本性的意义。它们只不过是掩盖了这样一个事实，即在基本的水准上，所有的方向都是等效的，具有完美的旋转对称性。我们说，水的这种原有的对称性变得无规了，或者说它“自发破缺”了，现在对称性完全隐藏起来了。　　作用力的情况也是这样。当相互作用粒子的混合物冷却下来时，它同样经历了某种“相变”。这时强力、弱力和电磁力的十分不同的特点变得非常显著——正是这种差异，使这些力在我们最常碰到的低能条件下显得如此各不相同。但是我已经说过，这些差异并没有什么重要的意义，我们不应该被它们所蒙蔽而看不见这些力共有的基本对称性——大统一力的对称性。　　遗憾的是，我知道我的时间快用完了。我可以介绍的东西还很多。例如，关于基本粒子为什么会得到它们所具有的质量的问题，我还完全没有谈到。另一个叫人入迷的话题是有关磁单极子。大家都知道，你无法把磁棒折断成两半而产生磁单极子，然而，这并不妨碍我们用别的办法去产生它。这种可能性是狄喇克最先提出的，目前大统一理论也在预言磁单极子的存在。　　至于如何扩展标准模型的范畴，有个名叫超对称性的理论看起来很有前途。它提出一个问题：如果把被交换的中介粒子（如胶子、光子、Ｗ粒子和Ｚ０粒子）当作一方，而把进行交换的粒子（夸克和轻子）当作另一方，那么，这双方之间的差别是不是真的像我们过去所表达的那么泾渭分明？　　最后，我还想提一提超弦的问题，这种理论认为，基本粒子（夸克和轻子）虽然表现得好像是点状物，但它们事实上并不是点，而是非常微小的“弦”。预计它们小得无法置信，其长度不大于10-34米，但却起着非常重要的作用， 它们并不是我们过去所想象的那种简单的点。　　大家都知道，现在我门正带着最后这几个课题到臆想王国中去闯荡。其中是不是有哪个理论在将来某个时候会得到认可，并像今天的标准模型那样成为定论呢？对此，目前谁也不敢说什么。我们只有拭目以待。（乔治·伽莫夫、罗素·斯坦纳德《物理世界奇遇记》最新版，湖南教育出版社2000年）　　　　　　　　　　　１７　尾声　　这是个酷热的夏日——在户外的花园里坐坐是最理想不过了。不过，现在黄昏正在降临。由于光线不足，汤普金斯先生放下了他在阅读的那本书。　　“你在做什么？能让我看看吗？”他向慕德问道。她坐在他旁边，正在画些什么。　　“我跟你说过多少次了，我不喜欢把还没有完成的工作拿给别人看！”她回答说。　　“在这样暗的光线下，你会把眼睛弄坏的。”他补充说。　　她抬起头来：“要是你一定想知道，我就试一试把我关于这座雕塑的想法告诉你。”　　“谁的雕塑？”　　“为那个实验室设计的雕塑。”　　“什么实验室？你都在说些什么呀？”　　“就是我们参观过的那个实验室啊……”她停了一下，然后接着说，“啊，亲爱的，我忘了告诉你啦，实在对不起！那天在你到护士那里去包扎伤口的时候，我同公关部的头头里奇特先生聊了起来——只是为了消磨时间等你回来。我开玩笑地对他说，他应该在前院——参观中心的外面——树立一座雕塑。他说，他自己也常常想到这一点。我顺便把我的工作告诉他。他似乎对烧焦的东西（用喷灯烧焦的）特别感兴趣。他认为这种东西可能有助于人们理解高温、高能、猛烈碰撞和诸如此类现象的意义。所以，这座雕塑应该作为那里所进行的那类工作的象征。它不能只是任何一种常见的老一套的雕塑。”　　“那么，你是说，你已经得到建造这座雕塑的委托了？”汤普金斯先生兴奋地问道。　　“天啊，不！”慕德笑了，“现在还没有。我得先画出草图，提出我的想法，估定资金预算。他们也可能让别人试一试。咱们只有等着瞧啦。对于我关心物理学这件事，他似乎很感兴趣。他认为这有助于我提出一些中肯的意见。当然，他已经知道我爸是什么人，这对我也有好处。”她笑了起来。　　她把她的草图放在一边。两人一起凝视着夜空刚出现的第一颗昏星。　　“你有没有想一想，你放弃物理学这件事是不是做对了？”汤普金斯先生问道。　　她想了片刻：“像那样一次参观，确实会叫人去好好想一想，要不要做些像抢占科学前沿和诸如此类的事。不，这不是真的。啊，我敢肯定他说，我有很多时间可以参加那样一种领域的工作——一切都非常富有魅力，非常引人入胜。但是，我不知道我能不能做到。参加一些巨大的研究组，进行一些按原设计要花５年、６年或者７年才能完成的实验……我想，我是没有耐心去做这种事的。”　　“我就一直忘不了那家伙——那台加速器。它实在是太大了。”汤普金斯先生喃喃他说，“想一想也觉得可笑：你想去考察的物体越小，你所需要的机器却越大。”　　“我觉得可笑的是，为了了解物质的最小组成部分，你却得去考察整个宇宙。反过来也是这样，认识宇宙的关键，却在于考察其最小组成部分的性质。”　　“你这话指的究竟是什么？”　　“我指的是全部研究早期宇宙中的对称自发破缺的工作。而这一切全部牵涉到宇宙暴胀理论，它说明了为什么宇宙的密度接近临界密度的原因。你知道，我曾经同你说过这件事，别告诉我你已经忘了。”　　“不，不！我还记得。不过，我不敢肯定我是不是已经弄清了它们之间的关系……”汤普金斯先生显得有点茫然。　　她接着往下说：“你回想一下，在谈到使各种作用力呈现出它们各自不同的性质的相变时，爸爸是怎样说的。他说，那有点像形成冰晶体时的情形。”　　他点点头表示同意。　　“好了，在水冻结成冰时所发生的一件事，就是它发生了膨胀，宇宙的情形也是这样：随着它的冷却，同样发生了相变，这时宇宙便进入了一种超速膨胀状态——我们管它叫做‘暴胀’状态，然后，膨胀的速度逐渐减慢，直到变成我们今天所看到的膨胀方式。暴胀的时间只持续了10-32秒， 但它绝对是至关紧要的，正是在这段时间内产生了宇宙的绝大多数物质……：’　　“对不起，”汤普金斯先生打断了她的话，“绝大多数物质？可是我认为，宇宙中的全部物质都是在大爆炸的瞬间产生的呀。”　　“不，在最开始时只有一小部分物质存在。大多数物质都是在那瞬间以后的极短暂的时间内产生的。”　　“这是怎么回事呢？”　　“听着，你当然知道当冰变成水时会释放出能量——熔化潜热。在发生暴胀相变时也是这样：它同样会释放出能量，而这些能量就用于产生物质。不仅如此，当时产生物质的机制，又正好使得所产生物质的数量恰巧能达到临界密度。你已经知道临界密度的意义有多么重大了。”　　“是的，临界密度控制着宇宙的未来。”汤普金斯先生答道，“星系的膨胀速度将不断减慢，直到最后完全不再膨胀，不过，那是非常非常遥远的将来才会发生的事了。”　　“说得对！所以说，无论是想知道宇宙物质的起源，还是要预测宇宙遥远的未来，关键都在于了解基本粒子物理学，也就是微观物理学。此外，我们还知道，要想得出密度达到临界的结论，目前宇宙中的大部分物质必须是暗物质。这种物质是由什么东西构成的，我们现在还不知道。它可能是中微子获得了质量而产生的结果。另一种可能性是：它有一部分是由大爆炸时，各种相互作用中遗留下的某些未知的、具有质量的弱相互作用粒子组成的。我们目前只希望通过对高能物理学的研究，能够解答上面这些问题。”　　“我明白你的意思啦。”　　“而从另一个意义上说，这种交叉研究的做法同样是很起作用的。要想检验基本粒子在大统一能量中的表现，惟一的办法就是找到它们在大爆炸早期的行踪，因为在宇宙的整个历史中，只有在那个时候才存在（或者即将存在）那种大统一能量。”　　汤普金斯先生思考了片刻。　　“把一切事物联系在一起，这种做法确实太重要了，”他心满意足地咕哝说，“原来，我在那一系列讲座中学到的东西全都是有联系的：基本粒子同宇宙学，高能物理学同相对论，基本粒子同量子理论。我们生活的这个世界是多么奇妙啊！”　　“在你列出的清单上，还可以添上宇宙学同量子物理学。”慕德说，“你回想一下，量子物理学是在最小的范围里才起到最大的作用，而宇宙在开始时就是很小的。所以在最最开始时，负主要责任的就是量子物理学。　　“就拿宇宙微波背景辐射来说吧。乍一看来，这种辐射似乎是均匀的，也就是说，它在各个方向上全都相同。但是，这种看法并不十分正确。如果这种辐射是完全均匀的，那就意味着，发出这种辐射的物质也必定是均匀的。但是，事情却不是这样。如果在物质密度的分布中丝毫没有一丁点儿不均匀性，那么，也就不存在任何凝聚中心可以使物质后来围绕着它们形成星系和星系团。事实上，不均匀性是存在的，其程度大约是十万分之一，非常小，但却至关紧要。正是这样小的不均匀性，为宇宙安排下大规模结构的图形，使宇宙中出现了星系团和超星系团，以及星系本身。　　“目前有一个难以判断的问题：是什么东西在控制这种原始不均匀性的分布呢？由于宇宙的尺度在开始时非常之小，人们便想到，这种不均匀性必定是在量子涨落中产生的。如果一旦能证明，整个宇宙的大规模结构确实是这种最为微小的涨落方式的反映，那就真的太振奋人心了……”　　她的声音逐渐低下来——从旁边靠椅上传过来的平稳的鼾声，提醒她不必再继续说下去了。　　加速器　一种利用电场对带电粒子进行加速的机器。粒子的径迹常常由磁场弯曲成圆形。见同步加速器。　　α粒子　由两个中子和两个质子结合在一起而组成的氦原子核。　　反粒子　每一种粒子都有它的反粒子，反粒子的质量和自旋与粒子相同，而某些其他性质，诸如电荷、重子数、奇异性、轻子数等等，则具有与粒子相反的值。　　原子　有一个原子核，其周围围绕着电子云。　　重子　由三个夸克组成的强子。　　重子数（Ｂ）　一种用来标识基本粒子的量子数，例如，夸克的Ｂ＝＋１／３，而反夸克的Ｂ＝－１／３。　　大爆炸理论　一个己得到公认的理论，按照这个理论，宇宙是在大约１２０亿年前由一个能量密度极大的点爆炸而产生的，从那个时候开始，宇宙就一直在膨胀和冷却。　　黑洞　由万有引力场产生的一个物质高度凝聚的区域，其引力强度极高，以致就连光线也无法从这个区域逃逸出去。　　底数（ｂ）　一种用来说明有多少夸克带有底味的量子数。　　荷　粒子带有若干种不同的（载）荷（电荷、色荷、弱荷等），它们决定了粒子以什么样的方式与其他粒子相互作用。　　粲数（ｃ）　一种用来说明有多少夸克带有粲味的量子数。　　化学元素　天然存在着不同的化学元素，每一种元素都有其独有的原子。各种原子所拥有的电子数及其原子核中的中子数和质子数都不相同。　　色荷　夸克与胶子之间的色力源。色荷分为三种，通常用红、绿、蓝三色表示。　　色力　夸克与胶子之间的作用力。　　守恒律　物理学的一个定律，它规定在粒子之间发生相互作用时，某些量（如电荷、重子数等等）的总数量保持不变。　　宇宙本底辐射（背景辐射）　大爆炸火球冷却后的残留物。它以微波波长的热辐射的形式出现，与它相对应的温度是2．7K。　　临界密度　这是标志着宇宙未来可能有的两种不同前景的分界线的平均物质密度。两种前景是：宇宙或者永远一直膨胀下去，或者有朝一日膨胀会被收缩所取代。如果宇宙暴胀理论是正确的，那么宇宙的密度就应该等于这个临界值（10-36千克/米3）。　　暗物质　通常是指宇宙中那些不发光的物质。通过对星系和星系团的运动进行研究，就可以推断出这种物质的存在。　　探测器　一种可以使人看到带电粒子的径迹的仪器。利用不同的技术，可用云室中的小水滴。气泡室中的气泡、火花、闪烁等标出粒子的路径。今天的探测器所用的方法不断增多，甚至能够辨识出不同粒子的种类。　　氘核　氢的同位素氘的原子核，这种原子核由上个质子和一个中子组成，而不像普通的氢那样只有一个质子。　　衍射　这是表现波动行为的一种性质。波在通过障碍物的缝隙时，会向外扩散并落在障碍物的几何阴影上。　　电荷　粒子的一种属性，正是这种属性产生了粒子之间的电相互作用力。电荷分正电荷和负电荷两种，同电相斥，异电相吸。例如，质子带有一个单位的正电荷，电子带有一个单位的负电荷，因而两者互相吸引。　　电子　质量最轻的带电轻子，是原子的组成部分。　　电子伏（eV）　一种能量单位；１电子伏相当于１个电子被加速通过１伏电势差所需要的能量。　　电磁力　带电粒子所受到的电力和磁力，目前已经知道，它们是同一种力的两种不同的表现形式，所以统称为电磁力。　　电磁辐射　带电粒子受到加速时所发出的辐射。　　电弱力　目前已经知道，电磁力和弱力是同一种力的两种不同的表现形式，所以统称为电弱力。　　等效原理　这个原理断定加速度与引力是等效的。举例来说，这种等效性使我们观察到，所有物体在地心引力的作用下都以同样快的速度降落。这是爱因斯坦的广义相对论的一个特点。　　基本粒子　组成一切物质的最根本的粒子。严格地说，这个名词只适用于夸克和轻子，但是把范围放宽一类，它也指质子、中子、其他重子和介子。　　能态（分立的）　根据量子理论，每个粒子都有一个伴随波，其波长决定着该粒子的动量，因而也决定着它的能量。就像任何别的波那样，当这种波被局限在一定的空间区域内时，它的波长只能取某些一定值。因此。一个被约束的粒子（例如原子中的电子），其能量就只能取某些分立的值。　　熵　热力学中用来衡量粒子系统的无序度的一种性质。　　事件视界　在黑洞外围的空间中靠想象画出的一个表面，处在这个表面内部的任何物体（包括光线）都永远无法逃逸出去。　　交换力　由于交换中介粒子而在基本粒子之间产生的作用力。例如，电磁力是由于交换光子而产生的，色力是由于夸克之间交换胶子而产生的。　　不相容原理　这是泡利所提出的原理；它断定任何两个电子都不能占有同一个能态。　　膨胀宇宙　从大爆炸开始，宇宙就一直在膨胀着。根据哈勃定律，各个星系团都在彼此退行，星系团之间的距离越大，它们的退行速度就越快。　　场　一种物理量，它的值在空间逐点发生变化（在时间中可能也是这样）。两个粒子是由于在它们各自的位置上感受到对方所产生的场，才发生相互作用的，场的种类有电磁场、弱场和强（色）场等。　　味　一种用于区别不同种夸克的量。夸克有上夸克、下夸克、奇（异）夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克等几种。　　频率　在单位时间内，振动次数或周期运动的循环次数。　　冻结混成度　当大爆炸后，密度和温度降低到原初核合成不能再进行下去时，由大爆炸产生的各种不同原子核的相对丰度，有时也称为“原初核丰度”。　　星系　一般是１０００亿个恒星由引力约束在一起而成的集体。在可以观察到的宇宙中，大约有１０００亿个星系。　　γ射线　一种频率非常高的电磁辐射。　　代　两个夸克和与之伴随的两个轻子的组合物。代，分为三种，即（ｕ，ｄ，ｅ－，νｅ），（ｃ，ｓ，μ－，νμ），和（ｔ，ｂ，τ－，ντ），　　胶子　能够发射强色力的粒子。胶子有８种可能的色态。　　大统一理论　这种理论设想电磁力、弱力和强力可能是同一种力的不同表现形式。　　引力势能　粒子的能量中，由于粒子在引力场内的位置而产生的那部分能量。