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1、蓬瓢疆物霆拳面墙的厨黄涛一、物质结构历史简述大家知道,物质结构的研究已从早先的原子层次深人到夸克和轻子这一新层次年,卢瑟福 实验证实了原子中原子核的存在并发现了质子,年查德威克 的实验发现了中子中子的发现开创了人类认识物质结构从原子核进到质子、中子这一层次海森伯和伊凡宁柯立 即提出了原子核由质子和中子组成的假说不久,这一假说获得验证并得到了有关原子核的正确认识原子是由原子核和绕核运动的电子组成的,而原子核 由质子和中子通过强相互作用结合而成这样,随着核物理的发展,人类对物质结构的认识进人到基本粒子这一层次,即认识到自然界万物是由质子、中子、电子这些基本粒子构成的年代初,原子核物理和波导理论的发
2、展在第二次世界大战一些大的军事研究和发展计划 中起到了决定性的作用反过来,在二战后许多国家政府对基础研究的大力支持促进了物理学的显著进展五六十年代加速器实验使得人们可以利用加速器手段加速粒子束流能量做核物理实验年代初从加速器实验中发现了多种基本粒子,于是产生了高能物理学 或粒子物理学这些基本粒子可以分为两类一类是参与强相互作用的粒子,如质子、中子、二介子、奇异粒子和一系列 的共振态粒子等,统称为强子 另一类是不参与强相互作用,只参与电磁、弱相互作用的粒子,如电子、产子和中微子等,统称为轻子高能物理实验又进一步揭示上百种强子并不“基本”,是有 内部结构的质子、中子、二介子中国科学院高能物理研究所
3、北京等强子是 由更小的夸克组成的,夸克被看成是物质结构的新层次并提 出了夸克模型理论这些强子是由种更基本的夸克上夸克、下夸克和奇异夸克组成的年代大量的实验证实了夸克 的存在年,丁肇中和里克特发现了第四种夸克集夸克,年发现了底夸克,年发现了顶夸克,这种夸克就是构成所有数百种强子的“基本”单元同时轻子的发现也达到了种电子、电子型中微子、户子、户子型中微子、轻子、子型中微子因此夸克和轻子就是目前阶段我们所认识的物质结构的新层次夸克、轻子通过 电磁相 互作用、弱相互作用、强相互作用和引力等运动规律就构成了自然界万物奥妙无穷、千变万化的物理现象世纪末麦克斯韦成功地提 出了电磁学理论、将原来分开的电学和磁
4、学统一起来,预言了电磁波的存在,很快得到了实验的证实世纪,电磁学规律已经对工业、农业、科学技术和军事产生了巨大的影响年,温伯格和萨拉姆提出了电磁相互作用和弱相互作用统一理论,并预言了弱中性流的存在以及传递弱相互作用的中间玻色子的质量年月和月分别发现了带电的和中性的中间玻色子实验上测到的中间玻色子 的质量与理论预言惊人地一致这一发现证实了弱电统一理论的成功,其意义可以与将麦克斯韦电学和磁学统一理论的验证相比拟弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用 的量子色动力学理论合在一起统称为高能物理或粒子物理 中的标准模型理论从世纪年代到现在,大量的高能物理实验证实了粒子物理中标准模型理论的成功,这一理论已经
5、受到了实验检验并正在继续发展标准现代物理知识模型理论是近半个世纪以来探索物质结构研究的结晶,是世纪探索微观世界规律的极重要的成就这一成就可以与世纪初的玻尔原子模型相比拟,正是有了玻尔原子模型,才有世纪年代末量子力学理论的建立。可以相信,标准模型理论 的发展必将导致深层次动力学规律的发现和建立二、微观探索面临的难题世纪末,经典物理学大厦已经建成,经受了一系列的实验验证当时,英国著名物理学家开尔文在 晚年说过这样一段令人深思的话“物理学已经可 以认为是完成了,下一代物理学可以做的事看来不多了,但是,在物理学的晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的小小乌云”这两朵乌云就是迈克尔逊一莫雷实验和黑体辐射实验
6、,这两个实验无法在经典物理学的框架内获得解释今天我们知道,正是光速不随观测系统而变的迈克尔逊一莫雷实验导致爱因斯坦提出了相对论理论,也正是黑体辐射实验导致普朗克提出了量子理论世纪初发展起来的狭义相对论和量子力学成为整个世纪物理学的基础原子物理、原子核物理、高能物理、半导体物理、电子学、激光物理以及由此而发展起来的信息科学、材料科学和军事科学技术等高科技产物渊源于狭义相对论和量子力学这两朵乌云就是世纪末经典物理学所面临的两大科学难题因此科学难题的提出和解决必将给人类带来巨大利益今天,我们正处于世纪之交,即将进人世纪高能物理学是探索物质结构的最前沿的科学,高能物理学发展到世纪末也存在着两大科学难题
7、对称性破缺的本质和夸克囚禁揭示它们的本质并寻找解决两大难题的途径将是物理学家在进人世纪以后 面临的艰巨任务,这很可能导致物理学中新的动力学规律的诞生并影响世纪科学技术的发展对称性破缺的本质是什么年,李政道、杨振宁首先提出宇称左右对称性在弱相互作用下是破缺的,即宇称不守恒规律这就打破了人们在历史上一贯认为的运动中对称性是守恒的基本规律年人们又发现宇称和 电荷共辘联合也是破缺的,因此,人们逐渐认识到对称性破缺才是 自然界中的基本规律,前面提到的弱 电统一理论预言的中间玻色子质量得到了实验证实,其一致的精确程度是惊人的这一预言的基础就是对称性破缺,破缺的机制是希格斯机制,或称为真空对称性自发破缺机制
8、在弱电统一理论模型中,电磁相互作用和弱相互作用分别通过传递光子和中间玻色子而发生,它们可以用 一种统一的量子规范场来描述,这一规范场与相互作用 的夸克和轻子遵从规范不变的内部对称性然而精确的规范不变性要求光子和中间玻色子都是无质量的,这一点仅对传递电磁相互作用的光子是正确的弱电统一模型理论通过引人真空对称性自发破缺机制使得中间玻色子获得质量,并预言了质量值的大小在理论的指导下,实验找到了它们,此项成果获得了年诺贝尔物理学奖弱电统一理论在精确预言了中间玻色子质量的同时,也预言了一种 中性标量粒子,称为希格斯粒子的存在,但理论上无法预言它的质量自弱 电统一模型提出以后,人们一直在寻找它,从几个加介
9、一直找到几十个沁都没有发现它,每一台新加速器建成以后都企图发现它,然而就是找不到,在目前加速器能量极限下只能给出希格斯粒子的下限是这就成为近年来粒子物理中的一个令人不解的谜 希格斯粒子在哪里如果希格斯粒子不存在,那么对称性破缺 的机制是什么在西欧中心正在建造的大型强子对撞机以几十亿美元、历时年的投资,其物理目标之一就是要回答对称性破缺的本质这一疑难在标准模型中,不仅中间玻色子的质量是通过对称性破缺获得的,而且夸克和轻子 的质量也是通过引人希格斯机制破缺对称性给出的然而轻子和夸克 的质量谱从电子伏特一直到,可以相差个数量级,即使同一层次的夸克也从几到,相卷 期 总期差 上万倍,其质量 的起源 困
10、扰着高能物理学家们这样宽广的质量谱很可能反 映了有更深层次的物质结构前面提到 的宇称和电荷共扼联合不守恒如果 自然界中护是守恒的,那么不守恒就意味着时间反演不守恒,实验上是在年从介子系统中发现的,其根源还不清楚人们从中性介子和反粒子之间大的混合推测破缺很可能在介子系统中发生,世纪末美国和日本将会有个介子工厂投人运行为了寻找在介子中不守恒现象对于不守恒的根源从理论上推测有可能存在一种新的相互作用,也有可能是真空对称性自发破缺引起的这样我们可以问,除了夸克系统外,在轻子系统是否也存在不守恒的现象建议中的卜集工厂将可能对轻子系统和集强子系统的不守恒现象做精细的研究夸克囚禁的疑难在夸克模型理论成功建立
11、的同时,科学家们也为实验上寻找不到自由夸克而困惑前种夸克、只存在于强子束缚态中,而最重 的顶夸克产生以后寿命极短,很快衰变为底夸克物质结构在新层次下的物理图像与先前原子、原子核的层次完全不 一样,已不是太阳系在微观世界的重复这表明支配下一层次的新的物理规律决定了 不同的物理图像和观念年物理学家们提出了量子色动力学理论解释强子 的物质结构和强相互作用在量子色动力学理论中,每一种夸克含有内部空间 色空间自由度,即有种不 同的色,不同色夸克之间的强相互作用是通过传递带色的胶子而发生的轻子不具有内部色空间,它不参与强相互作用量子色动力学理论有一个显著的特点就是渐近 自由,夸克之间通过传递胶子的相互作用
12、在极高能的渐近区域内趋于自由量子色动力学的渐近自由特点致使微扰理论得到了巨大的成功,然而 微扰理论仅在高动量迁移下的物理过程中可以得到应用,对于低动量迁移的物理现象和强 子结构,它无能为力在量子色动力学框架里,虽然可定性地解释了夸克囚禁在强子内部的结构图像,但是要想定量地解释夸克囚禁疑难和强子结构图像仍是高能物理中一个重大的难题人们对这 一难题的解决已经做了很多尝试,一个普遍 的看法是认为夸克囚禁是 由量子色动力学物理真空性质而造成的微扰量子色动力学理论是建立在微扰真空的基础上,而量子色动力学物理真空完全不同于微扰真空在物理真空中真空不空,它充满着夸克一反夸克对以及胶子,物质与真空中的夸克一反
13、夸克对和胶子不断发生相互作用造成新的强子结构图像因此揭示真空的本质将导致夸克囚禁疑难的解决为此,本世纪末将在美国布鲁克海文实验室建成一个相对论重离子对撞机和阻,就是在极端条件下将夸克和胶子从质子和中子 中解放出来,也就是实现从夸克的禁闭相到退禁闭相 的跃迁世纪初实验和理论物理学家将为破解夸克囚禁之谜而找到真空本质的答案三、结语前面简述了探索物质结构 的两大难题 对称性破缺的本质和夸克囚禁世纪末和世纪初建成的高能加速器都是与解决这两大难题相 关的概括起来说,高能物理学正向两方向发展一是向超高能量发展,例如西欧中心的和美国的和肛二是 向高精度发展,例如美国和日本的介子工厂、意大利的 沪介子工厂,建议中的卜集工厂等这两大方向的发展相辅相成,目标在于深人研究现今这一层次的夸克、轻子及其相互作用 的运动规律甚至可能揭示下一新层次的物理性质和规律弱 电统一理论告诉我们,弱相 互作用和 电磁相互作用在能量远高于中间玻色子质量 时,它们是 统一的,在低能时弱 电对称性自发破缺表现出两种不同的相互作用人们很自然地要问,当能量更高时,弱 电统一 的相互作用 与强相互作用是否会形成更大的统一理论理论上 回答是肯定的。这就是超对称大统一理论,对称性破缺构成低能现实世界的不 同类型 的相互作用规律。现代物理知识
