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量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!

发布时间:2019-06-05 10:25:21  作者:宇宙探索  来源:宇宙探索  阅读:195

      前段时间,“夸克之父”盖尔曼去世,享年89岁。盖尔曼被誉为天才物理学家,14岁从进入耶鲁大学,18岁获学士学位,年仅22岁就获得了麻省理工大学博士学位。26岁就成为了加州理工学院最年轻的终身教授。
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      他 24 岁就发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数,40岁就因为提出了“质子和中子是由三个夸克组成的”获得了诺贝尔物理学奖,要知道,诺贝尔物理学奖获奖者平均55岁,他也被誉为被称为拥有“五个大脑”的天才科学家 。而他最为卓越的贡献就是完善了量子色动力学,补齐了宇宙大一统的最后一块拼图。
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      盖尔曼获得诺贝尔奖
      量子色动力学是描述组成强作用粒子(强子)的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用,可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用,被认为是有希望的强作用基本理论。
      我们都知道,如果要想实现物理学乃至宇宙的大一统,就必须要将弱力、电磁力、引力和强力四大力相融合。
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      爱因斯坦后半生花费了整整 30 年的时候来研究统一场论,想要实现宇宙的大一统,但是爱因斯坦活着的时候,宇宙四种基本相互作用就只发现了 2 种,分别是麦克斯韦将电力和磁力相统一的电磁力以及引力。
      而弱力虽然是在 30 年代由费米理论提出,把弱相互作用看做是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用,不过当时对于弱相互作用的概念还十分模糊。
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      直到 1954 年,杨振宁和米尔斯独辟蹊径,不再局限于统一引力与电磁力,而是想从弱相互作用和电磁力入手,他们在著名物理学家外尔的基础上,把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念,推广到不可对易的定域对称群,提出了杨·米尔斯理论。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质,从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。
      在此基础上,杨振宁完善了规范场论,物理学界正式从爱因斯坦统一场的研究转变为规范场论,成为物理学的新趋势,规范场后来被很多人认为最有可能实现统一四大力。
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      后来,李政道、杨振宁、吴健雄等证明了弱作用的宇称不守恒和CP不守恒之后,物理学家们考虑建立一个基于量子场论的弱相互作用理论。美国科学家格拉肖最早提出用规范场的方法,将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中,1968 年 温伯格、萨拉姆在格拉肖电弱统一模型的基础上建立了电弱统一的完善理论,他们理论在多次试验中得到证实,电弱统一理论已经是一个得到实验相当严格检验的科学理论。
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      然而,这个时候,关于系统阐释宇宙四大力的强力的理论还迟迟没有被人们所发现。其实,人们对于强力的研究很早,最早研究的强力是核子(质子或中子)之间的核力,它是使核子结合成原子核的相互作用。
      1935年汤川秀树提出了质子和中子通过交换一种未知的介子形成原子核内很强的束缚力(核力),这种力与交换无质量光子的电磁力不同,它是短程力,开创了研究强相互作用的历史。
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      汤川秀树和爱因斯坦
      而自1947年发现与核子作用的π介子以后,实验陆续发现了几百种有强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子。(所有受到强相互作用影响的粒子就叫强子)
      同样是1947年,鲍威尔发现了参与强相互作用的介子,逐步完善地建立了核力的介子交换理论。
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      后来关于介子更为详细的研究
      前期的工作已经铺垫完成,为到了 60 年代,关于电磁力的电磁场理论早已发展为量子电动力学、弱力有费米点作用理论。并且将弱力与电磁力的弱电统一理论已经成熟,这个时候关于系统阐释强力的理论也开始诞生。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      1961 年, 美国物理学家盖尔曼提出了强子分类的 SU(3) 模型。 这一模型不仅对当时已知的强子给出了很好的分类, 而且还预言了当时尚未发现的粒子,但这一模型有一个显著的缺陷, 那就是 SU(3) 的基础表示似乎不对应于任何已知的粒子。
      在粒子物理学里,标准模型(英语:Standard Model, SM)是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。而描述电磁、弱和强相互作用的粒子物理标准模型,对应的对称性分别为:U(1)Y x SU(2)L x SU(3)c。这些对称群在数学上称为幺正李群。幺正指的是某个物质于时刻t在全空间找到粒子的总概率等于1。若微观粒子不能产生和湮没,那么某时刻波函数满足归一化条件,则在任何时刻,波函数都将保持归一化(概率守恒)。它叙述的是微观过程物质不灭的原理。而李群是一种只有一个运算的、比较简单的代数结构;是可用来建立许多其他代数系统的一种基本结构。(宇宙四大力,引力还没有被纳入标准模型)
      1964 年, Gell-Mann 与美国物理学家 George Zweig (1937-) 提出了夸克 (quark) 模型, 将夸克作为 SU(3) 基础表示所对应的粒子, 强子则被视为是由夸克组成的复合粒子。
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      1964年的时候,盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出了夸克模型,夸克模型是一种根据强子内价夸克种类的强子分类方案,将夸克作为 SU(3) 基础表示所对应的粒子, 强子则被视为是由夸克组成的复合粒子,而价夸克就是强子内的夸克和反夸克,它们是强子量子数的源头。
      这段话我给大家解释一下,我们都知道,夸克是一种比原子还小的粒子,不带电,原来认为原子是不可分割的,但后来发现了夸克的存在,,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      (中子是由两个下夸克和一个上夸克组成,质子由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。)
      1969年,美国科学家费曼提出了部分子模,他认为强子是由许多带电的点粒子构成,这些点粒子称为部分子,在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。
      但在夸克模型中,几个夸克如何能够共同组成强子,处于在其它方面完全相同的状态但却仍满足泡利不相容原理,又成了大家苦恼的事情。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      强子,里面的是夸克
      1972 年, 盖尔曼等人在实验的引导下重新考虑了格林柏格提出的色荷的概念,(色荷是夸克的一种性质),以及以之为基础的杨·米尔斯理论。 而这也正式标志着量子色动力学的诞生。 由于色荷是一个三值量子数, 因此量子色动力学的规范群被选为了 SU(3)。
      简而言之,盖尔曼他们把杨·米尔斯理论用在强力身上,结合强力各种具体的情况,最后得到的量子色动力学(QCD)才是完整描述强力的理论。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      到了 1973 年,美国科学家格罗斯、波利茨、威尔茨克通过一个完善的数学模型说明:夸克之间越接近,强作用力越弱。当夸克之间非常接近时,强作用力是如此之弱,以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”。反之,夸克之间距离越大,强作用力就越强。“渐近自由”为量子色动力学提供了支撑。
      其实讲到这里,你就明白杨振宁多牛了,电磁力、弱力、强力都是符合杨·米尔斯理论的,它为宇宙大一统提供了理论基础。
      到了 1979 年,在高能正负电子对撞实验中发现三喷注现象,进一步显示了胶子的存在。这也让量子色动力学得到了进一步的完善。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      连接各个小球的就是胶子
      在物理学中,胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克捆绑在一起,使之形成质子、中子及其他强子。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      在量子色动力学中,量子色动力学中总共只有两类粒子: 胶子与夸克。 其中胶子是无质量的, 而夸克有质量,具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的,胶子具有色荷,胶子之间也有强相互作用,胶子本身可放出或吸收胶子。当两颗粒子色荷互相作用时便会交换胶子。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      胶子如何在夸克间传递强力
      自此,量子色动力学正式成熟,量子色动力学的创立是科学历史长河中最伟大的成就之一。它彻底改变了我们关于物理世界的基础性本体论概念及其基底的动力学。它所发现的不仅仅只是新粒子和新力,而是更为深层的物理实在,一种全新的实体。
      在动力学上,强核力不再被看作是基础性的,而是降格为更强长程力(该力以胶子为媒介)中无法消除的残存物。从一个长远的观点看,或许比这些发现更为重要的是:它开辟了一条新路径,沿着这条路径,我们可以探究物理世界未知层面里的众多新奇特征,
      量子色动力学诞生之后,格拉肖在电弱统一理论的基础上,将三者结合统一成描述弱、电、强三种相互作用的大一统理论。人们还将规范场论延展,成功为电磁作用、弱相互作用和强相互作用及组成所有物质的基本粒子提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测,它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
      可以说,量子色动力学的诞生为宇宙大统一找齐了最后一块拼图,而自此之后的物理学研究,就是在思考如何把引力拼进去,并且让宇宙大一统这幅拼图变得更加完美。
      让我们一起缅怀盖尔曼,他对于物理学的贡献,尤其是量子色动力学的创立,将物理研究引向了一个新的方向。
    量子色动力学:或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!