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弱相互作用与电磁相互作用统一的研究

到二十世纪中叶，粒子世界呈现出非常复杂的局面，粒子数目众多，而且实验上发现和确证的粒子还在不断地增加，粒子之间的相互作用有电磁作用、引力作用、强作用、弱作用四种，它们的区别很大，电磁作用和引力作用是长程力，强作用和弱作用是短程力，它们的强度差别非常大，强作用最强，电磁作用次之，弱作用更次，引力作用最弱，在粒子物理中引力作用可以不考虑.对于电磁作用，已经建立起量子电动力学，它是物理学中最成功的理论.在这个理论中，力的传递者是电磁场，场的量子是光子，电磁作用是通过交换光子而传递的，光子的静质量为零，与电磁作用的长程性联系在一起.关于弱作用，在弱作用宇称不守恒基础上发展了弱作用的中间玻色子理论，认为弱作用是交换中间玻色子W±而传递的，中间玻色子的质量很大，与电磁作用中的光子不同，它是与弱作用的短程性联系在一起.

20世纪60年代末，美国物理学家格拉肖、温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆等人建立了弱电统一理论，把电磁场和弱作用场进行成功的统一，他们因此获得1979年诺贝尔物理学奖.在弱电理论背后的基本对称性更加奇怪一些，它跟空间或时间的视点改变无关，而是关于不同类型的基本粒子的识别.在弱电理论中，如果在方程里处处以一种既非电子，也非中微子的混合粒子态来取代电子和中微子，则物理定律的形式是不会改变的.因为其他许多不同的粒子也跟电子和中微子发生作用，所以同时需要把那些粒子族也混合起来.如上夸克与下夸克，光子、带正电和带负电的W粒子、中性的Z粒子.这是与电磁力相联系的对称性，源于光子的交换.对于弱核力来说，那种对称来自W粒子和Z粒子的交换.在弱电理论中，光子、W粒子和Z粒子分别表现为4种场的能量束，那些场是对弱电理论的对称性的响应，就像引力场响应广义相对论的对称性一样.弱电理论背后的这种对称性被称为内在对称性.内在对称性比作用在寻常时间和空间上的那些对称性更加陌生，物理定律这种一来于时间和空间的对称变换下的不变性称为局域对称性.还有一类精确的局域对称性，跟夸克的一种内在性质相关，那种性质叫做夸克的颜色.通常称为红、白、蓝三色.当然它跟普通意义上的颜色一点关系也没有，不过是用来区别不同夸克个体的标签.而在不同颜色之间确实存在着精确的对称性.红夸克和白夸克间的力与白夸克和蓝夸克间的力是一样的；两个红夸克间的力与两个蓝夸克间的力也是一样的.但这种对称性不仅限于颜色的相互交换.

我们人类对于弱相互作用其实了解得很少，主要是原子核的β衰变现象.β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个反中微子.凡是涉及到中微子的反应都是弱相互作用过程.弱相互作用仅在原子核内起作用，力程非常短（大约在10^-18m范围内）.为了得到弱和电的统一，物理学家大胆假定有W粒子作为中间粒子，它的质量要比核子大100多倍.人们设想弱相互作用与电磁相互作用有着相同的作用机制，并假设弱相互作用通过W玻色子来传递，但是，理论的结果却又出现了无穷大困难.后来，人们将弱相互作用与电磁相互作用作类比，假定粒子除了带有电荷以外，还带有弱荷，并且弱相互作用也遵循一种人们还没有发现的规范不变性，人们将它称为隐藏的对称性，因而弱荷也是守恒的.采用这种办法不仅克服了无穷大困难，而且理论还证明存在四种规范粒子，它们是带电的W⁺、W^_和中性的Z⁰，第四种就是光子，它们分别传递三种弱相互作用和电磁相互作用.因而，这一理论不仅克服了无穷大困难，而且还将弱相互作用和电磁相互作用统一了起来，因而这一理论被称为弱电统一理论.弱电统一理论所预言的三种中间波色子经过人们长期的不懈努力，最终在实验中被全部发现，并且它们的质量与主要性质理论与实验也符合得很好.

参与碰撞的粒子称为费米子，其自旋为半整数.由于两粒子间的碰撞是间隔一定距离的，这种碰撞并不是超距作用，而是要通过媒介粒子来传递，这个起传递作用的粒子就象是一个“媒婆”，被称为玻色子，其自旋为整数.传递力的作用的粒子以虚态存在.对于弱相互作用来说该粒子为W、Z光子（光子的运动速度为光速，由于其运动速度的下降，被观测成了低速运动的W、Z粒子）.在量子力学中，粒子从初态到末态的跃迁，涉及到粒子的湮灭与产生.可以近似的用费米公式和量子场论的相应公式进行计算.计算中，4个费米子（中子、质子、电子、电子中微子）通过一个中间玻色子联系.通过跃迁前后费米子场与玻色子场的关系，将弱作用力的耦合常数用电磁精细结构常数（也就是电磁力的作用强度1/137）进行替代，引入距阵元与费米相互作用常数的关系.计算出W、Z光子的理论质量.这个计算结果与实验相符.从而反过来证实了弱电的统一性，即：弱相互作用与电磁相互作用是一种力―――这就是1979年诺贝尔物理学奖.

多年以来，关于电磁力已有了很成功的理论，人们认为带电粒子之间的相互作用是由于交换光子而产生的.但是按照这种解释，不能正确地理解弱力.因为如果这样，传送弱力的粒子就应质量很大，而不象光子那样静止质量为零.另外，依据这种理论的计算总是包含无法理解的无穷大.1967-1968年温伯格和萨拉姆各自独立地提出了一种电磁作用和弱作用统一的量子场论，从而解决了这些问题.但是，他们的理论有一个不能令人满意的局限性：它只适用于一类基本粒子.1970年格拉肖将这一概念作了进一步推广，证明了亚核粒子的某种数学性质（他称之为粲）能够使人们将电磁力和弱力之间的这种联系推广到所有的基本粒子.温伯格、萨拉姆和格拉肖的弱电统一理论预言：由于弱力的作用，当电子猛烈撞击原子核后弹回时，检测到的左旋电子和右旋电子的数目将会有明显的差别.这种“宇称破坏”，后来在斯坦福大学的直线加速器实验中心确实被发现了.根据他们的弱电统一理论，除了存在电荷流的弱相互作用外，还应存在中性流的弱相互作用，即在反应过程中入射粒子和出射粒子之间没有电荷交换.例如，p+e+→p+e+.后来美国费米国家实验室和西欧核子研究中心都在实验中发现了他们预言的中性流.弱电统一理论现已为许多实验所证实，它使现存的四种基本相互作用实现了部分统一.

1933年费米首先将电磁相互作用的原理推广到弱相互作用，1954年美籍物理学家杨振宁和美国物理学家密耳斯提出了对同位旋场规范化的SU(2)规范理论，称为非阿贝尔规范理论，1961-1971年格拉肖、黑格斯、温伯格、萨拉姆、特胡夫特等人经过十年探索最终解决了理论的缺陷和困难，1982-1983年实验相继发现了弱电统一理论所预言的三种波色子.虽然弱电统一理论取得了一定成果，但是这一理论还有一些问题没有解决，例如这一理论为了使参与弱作用的三种中间玻色子获得质量，黑格斯曾经引入一种标量粒子，后来人们将其称为黑格斯粒子，这种粒子（对应于黑格斯场）至今还没有找到.弱电统一理论所引进的一些参数还没有得到充分的理论解释，甚至这一理论还没有解释弱作用的所有主要性质.

萨拉姆(A.Salam)和温伯格(S.Weinberg)的弱电统一理论，把分别描述电磁力和弱力的两条规律，简化为一条规律.而M理论的最终目标，是要用一条规律来描述已知的所有力（电磁力、弱力、强力、引力）.当前，有利于M理论的证据与日俱增，已取得令人振奋的进展.M理论成功的标志，在于让量子力学与广义相对论在新的理论框架中相容起来.同弦论一样，M理论的关键概念是超对称性1.所谓超对称性，是指玻色子和费米子之间的对称性.玻色子是以印度加尔各答大学物理学家玻色（S.N.Bose）的名字命名的；费米子是以建议实施曼哈顿工程的物理学家费米(E.Fermi)的名字命名的.玻色子具有整数自旋，而费米子具有半整数自旋.相对论性量子理论预言，粒子自旋与其统计性质之间存在某种联系，这一预言已在自然界中得到令人惊叹的证实.在超对称物理中，所有粒子都有自己的超对称伙伴.它们有与原来粒子完全相同的量子数（色、电荷、重子数、轻子数等）.玻色子的超伙伴必定是费米子；费米子的超伙伴必定是玻色子.尽管尚未找到超对称伙伴存在的确切证据，但理论家仍坚信它的存在.他们认为由于超对称是自发破缺的，超伙伴粒子的质量必定比原来粒子的大很多，所以才无法在现有的加速器中探测到它的存在.