上一页

　　现在我想再为大家介绍另一种力——弱相互作用力。其实，就它的内禀强度而言，它并不比电力和磁力弱；它之所以显得弱，是因为它的作用距离甚至比强力还要更短：只有10^-17米。 不过，虽然它的作用距离受到这样大的限制，它在自然界中却扮演着重要的角色。我们可以举一条核反应链作为例子，这就是氢（H）能够聚合变成氦（He），同时释放出能量。这些核反应发生在太阳上，并且是太阳的能源。在下面几个反应中，第一个反应就是由弱相互作用引起的：

　　p＋p→²H＋e^＋＋v_e

　　²H＋p→³He＋γ

　　³He＋³He→^４He＋p＋p

式中γ是名叫γ射线的高能光子，²H是由一个质子和一个中子组成的氘核，而v_e是中微子。

　　弱力也是自由中子发生衰变的原因：

　　ｎ→p＋e^－＋v_e^－

式中v_e^－是反中微子。

　　顺便说一下，你们大概会觉得奇怪，这一切关于“作用力”的议论，难道同粒子的相互转变有什么关系吗？也许我应该说明，只要有粒子彼此产生影响（不管是以什么方式产生的），物理学家们就总是把它说成“作用力”或“相互作用”所产生的结果。这种说法不但适用于运动发生变化的场合（即我们日常想到有某种力在起作用时），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v_e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v_e^－，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v_e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

———————————————————————————
—代　　　第一代　　　第二代　　　第三代　　　电荷
———————————————————————————
夸克　　　u　　　　　ｃ　　　　　ｔ　　　　2/3
    　　　d　　　　　s　　　　　 b　　　  -1/3
———————————————————————————
轻子　　　e^－　　　　μ^－　　　　τ^－　　　 -1
    　　　v_e　　　　 v_μ　　　　 v_τ        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^－＋v_e　　或　　Z⁰→v_e＋v_e^－

Z⁰粒子的衰变特别有趣，它不仅能衰变成（v_e＋v_e^－），而且还能衰变成（v_μ＋v_μ^－）、（v_τ＋v_τ^－），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。

《物理世界奇遇记》乔治·伽莫夫

[1][2]