物理世界奇遇记-第35部分

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种力在起作用时），而且也适用于粒子改变其身份的场合。
　　前面我已经提到过，与强子不同，无论是电子还是中微子都
不感受强力的作用，这是因为它们都不带有色荷。中微子甚至也
不感受电力的作用——它不带任何电荷，中微子从来不同其他粒
子相互作用这个事实表明，我们必须考虑另一种类型的相互作用
——弱相互作用力。
　　我们说，ｅ和νｅ是“电子型轻子”，它们的电子型轻子数
等于＋１，其中每一种粒子分别有其反粒子ｅ＋和νｅ－，后者
的电子型轻子数等于－１。就像在强子的场合下重子数Ｂ必须守
恒那样，轻子数这个量子数在相互作用中也是守恒的，不信的话，
你们可以核对一下前面那几个反应式。在谈到弱相互作用力时，
由于ｅ和νｅ具有相同的轻子数，它们之间并没有任何差异。
　　那么，我们为什么说它们是电子型轻子呢？原因在于，自然
界中还有μ子和μ子型中微子，以及τ子和τ子型中微子。这些
粒子各有它们那种类型的轻子数，后者在反应中也必须守恒。这
样一来，我们就可以想到，这些轻子组成了３种双重态。
　　夸克也组成双重态。正如我们先前所说，质子和中子组成一
种同位旋双重态（即同一种粒子——核子——的不同带电状态），
所以，组成ｐ和ｎ的ｕ夸克和ｄ夸克也组成一种双重态。其他夸
克也是这样：ｓ和ｃ组成一种双重态，ｔ和ｂ组成另一种。
　　事实上，在夸克的同位旋双重态与轻子的“弱同位旋”双重
态之间存在着一种联系：它们一起组成了３个代，如表２所示。

　　表２　　　　夸克双重态和轻子双重态的３个代
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代　　　第一代　　　第二代　　　第三代　　　电荷
————————————————————————————
夸克　　　ｕ　　　　　ｃ　　　　　ｔ　　　　2/3
　　　　　ｄ　　　　　ｓ　　　　　ｂ　　　　…1/3
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轻子　　　ｅ－　　　　μ－　　　　τ－　　　　…1
　　　　　νｅ　　　　νμ　　　　ντ　　　　　　　　0
————————————————————————————

　　像强相互作用那样，在弱相互作用中，电荷、重子数和轻子
数这些量子数也总是守恒的。但是，与强相互作用不同，在弱相
互作用中，夸克的味不必守恒。因此，举例来说，中子（ｕ，ｄ，
ｄ）衰变成质子（ｕ，ｕ，ｄ），是因为中子的一个ｄ夸克改变
了自己的味而变成稍稍轻一点的ｕ夸克，同时发射出多余的能量。
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（1．6
GeV），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