聊粒子-弱电统一

3 4月

四种基本作用力(引力,电磁力,弱力,强力)都已经被发现了,分别有一套自己的理论。

引力在低速用牛顿力学描述,高速用广义相对论描述。

电磁力在经典物理中用麦克斯韦方程组描述,在量子中用量子电动力学QED描述。

弱力用杨米尔斯规范场来描述。

强力也是受到杨米尔斯规范场的启发,出现了量子色动力学QCD,说夸克和胶子都有”颜色“。QCD也是现在主流的描述强力的理论。

物理学家们一直有一个梦想,就是将这四种基本作用力,用一套理论来解释,称为”万有理论“。

最早统一的的是弱力和电磁力,前后历时20多年。

首先有这个想法的是施温格(1918-1994)。

当时电磁力已经被研究的很深了,但弱力水太深,有很多未解之谜。例如为何只有弱力宇称不守恒呢?为啥电磁力是长程力,而弱力是短程力呢?

施温格想如果是短程力,交换力的粒子就得有质量。为了满足弱电统一,交换粒子还得有光子。

1957年施温格发表论文:传递弱力的应该有3种粒子,其中一种是光子没质量,还有2种有质量。它们和光子构成了3重态,就像π介子,有π+-和π0。

施温格的学生谢尔顿.格拉肖(1932-至今,预言粲夸克的这位)受到杨米尔斯规范场的启发,进一步研究导师施温格的理论。

1961年格拉肖发表论文,将导师施温格的理论中的光子改成了有质量的中性粒子,还预言了一种现象叫”中性流“。即中性粒子传递弱力的过程叫”中性流“。

同时巴基斯坦的理论物理学家萨拉姆(1926-1996)在1964年也给出了一套和格拉肖的理论很像的理论。

格拉肖和萨拉姆版本的弱电统一理论有个共同的问题,就是为了满足场的规范性,规范玻色子不能有质量,但他俩硬给这个规范玻色子赋予了质量,即这个质量是人为给的,不是理论计算出来的。

1967年温伯格(1933-至今)将希格斯机制结合了进来,解决了规范玻色子质量问题,建立了第一个版本的弱电统一理论。

还把格拉肖预言的三种粒子明确了一下,中性粒子起名叫Z0,带电的分别叫W+-,就是在标准粒子模型里,传递弱力的Z0,W+-。

1970年格拉肖又将夸克模型加入了进来,至此一个相对完整的弱电统一理论终于诞生了。

弱电统一理论也被称为”GWS理论“(三人名字的首字母),格拉肖,萨拉姆,温伯格也因此获得了1979年的诺贝尔物理学奖。

当时GWS模型还有个问题没解决,就是重整化,要想逻辑自洽必须能够被重整化。

什么是重整化?

重整化最先是用于解决量子电动力学QED的场方程的高阶求解问题的。

先解释一下量子电动力学QED。

量子力学鼻祖是狄拉克(1902-1984),解释了微观粒子如何运动,如何碰撞。

但粒子还有个特点就是带电,所以粒子运动会受到电磁场的影响。处理电磁力的麦克斯韦方程组,在宏观层面还行,但在微观层面不行。

所以要解决粒子的电动力学问题需要将电磁场量子化。

狄拉克大神独立完成了这个工作,将理论起名”量子电动力学QED“。

QED也是描述物质间相互作用的第一套完整的量子理论,也是第一个量子场论。核心思想就是:电磁场通过交换虚光子来传递相互作用力,即描述了光与物质间的相互作用。

但当时这个理论有瑕疵,就是无穷大问题。

场方程在求解时,一阶近似值与实验结果符合的很好,但高阶近似值会发现这个值是无穷大。按理来说越高阶,结果应该越精确,结果是无穷大。

高阶求解无穷大问题被施温格(1918-1994),费曼(1918-1988),朝永振一郎(1906-1979)三人独立解决了。

解决的方法就叫”重整化“。经重整化后QED就非常完美了,计算结果很精确。

以至于现在”能否被重整化“成了检验一种场论是否正确的标准之一。看理论对不对先看能不能被重整化,如果不能,这个理论就直接pass。

也因完成了量子电动力学QED的重整化,获得了1965年的诺贝尔物理学奖

GWS理论的重整化由一对师生韦尔特曼(1931-至今)和胡夫特(1946-至今)于1972年完成了,两人也因此获得了1999年的诺贝尔物理学奖

胡夫特的论文名称就是《杨-米尔斯场的重整化方法》,GWS可以被重整化,意味着含质量的杨-米尔斯场可以被重整化。

这二位的贡献,不仅为弱电统一做出了贡献,也极大地巩固了杨振宁在理论物理学界的地位。

GWS理论完善后,剩下的就是实验中验证了。

1973年费米实验室和CERN都观察到了中性流的存在,但Z0,W+-粒子因为质量比较大,在90GeV左右,当时的加速器对撞机能量不够,所以一直无法在实验中被观察到。

但因为中性流存在,说明传递中性流的Z0和W+-在理论上一定存在。

1979年诺贝尔委员会等不及了,授予了提出GWS理论的格拉肖,温伯格,萨拉姆当年的诺贝尔物理学奖。

萨拉姆拿奖时还开玩笑:”诺贝尔委员会是在赌博吗?“

到了1983年,CERN用了270GeV*270GeV的正反质子对撞机,终于在实验中发现了Z0和W+-。

实验的领头人意大利物理学家鲁比亚(1934)和荷兰物理学家范德梅尔(1925-2011)也因此获得了1984年的诺贝尔物理学奖

至此弱电统一GWS理论,从理论到实验,历时20多年终于完成了。

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