20、弱电走上统一之路，基本作用力统一之路在线免费阅读

上期咱们简要的介绍了一下场的概念，以及1954年杨振宁和米尔斯共同提出了一个框架，叫做杨米尔斯规范场。那好啊，咱们今天就先以1954年为分水岭啊，简要的梳理一下，就当时的物理学家他都面临着什么样的问题呢？首先啊，这四种基本作用力都已经发现了，引力可以用广义相对论来描述，电磁力呢在经典当中啊有这个麦克斯韦方程组，在量子当中可以用量子电动力学就是QED来描述。只有弱力和强力还是名花无主好在这个杨米尔斯规范场啊，为物理学家是开辟了一条貌似可以行得通的道路，提供了一种前进的方向。那我就先来告诉大家接下来的剧情啊，格拉肖等人通过杨米尔斯规范场，直接将弱力和电磁力统一了，形成了弱电统一理论。弱力也被征服了，另一方面呢，这盖尔曼等人也是受到杨米尔斯规范场的启发啊，给出了量子色动力学QCD啊，这QCD也是在众多的这个试图描述强力的理论当中脱颖而出，占据了主导地位啊，就是咱们在之前几期提到过的这夸克和胶子都是带有颜色的，至此这最后一个基本作用力强力也被物理学家驯服了。所以说杨米尔斯规范场很重要啊。
那好，咱们就先来看一下这个弱电统一。最早有这个想法的人呢，就是把这个电磁力和弱相互作用统一起来的人是施温格，

他和费曼还有朝永振一郎独立完成了qed的重整化，所以这三个人也被称作是qed创始人之一。

那咱们简单的介绍一下这qed就是量子电动力学和重整化是咋回事儿？量子电动力学的真正鼻祖啊是狄拉克，这当时量子力学迅速的发展，人们可以解决量子的动力学问题了。也就是你的粒子怎么运动啊？怎么碰撞啊？但是粒子还有一个特点呢，就是有的粒子它带电啊，这就会受到电磁场的影响，可是当时人们处理这个电磁力就只有麦克斯韦方程组。这东西在宏观还行，一到微观量子化了，这就不灵了，所以如果想要解决粒子的电动力学问题，就需要将这个电磁场量子化。这个工作就是有迪拉克来完成的，量子动力学这个词儿就是狄拉克起的，这套理论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，核心的思想，就是电磁场是怎么传递相互作用的呢，是通过交换这个虚光子，也就是描述了光和物质间的相互作用。但是理论虽好啊，仍有瑕疵，当时最大的一个问题叫做无穷大问题啊，就是这个场方程它在求解的时候啊，一阶近似的结果和实验这个相符，但是一旦使用高阶近似值，你就发现这个值它是无穷大。按理来说啊，越高阶这结果应该越精确呀，你反正无穷大肯定是接受不了啊，这个问题就是被刚才说的那三位就是施温格费曼朝永振一郎，他们三个单独解决的，解决的方法就叫做重整化，具体的咱们就不说了，重整化之后的qed那就是十分完美了，这计算结果也相当的准确。因此这三个人啊还共同获得了1965年的诺贝尔物理学奖，以至于重整化变成了任何一种场论是否正确的检验标准之一，就是你这个理论对不对呀？首先就看你能不能重整化，如果不能，那对不起啊，直接就pass。咱们说回到这弱电统一，弱电统一实际上经历了很长一段时间啊。也是有众多的大咖前赴后继共同完成的，那咱们简单梳理一下。施温格最早只是有一个弱电统一的想法啊，但是他没怎么实施，因为他发现这个事儿不好办啊，电磁力他已经研究的很透彻了，不过弱力的水可是很深的呀，你就比如为啥只有弱力宇称不守恒呢？还有为啥电磁力是长程力，这弱力是短程力呢？这个问题呀施温格是这么考虑的，如果是短程力，那交换的粒子就得有质量，为了满足弱电统一，这交换的粒子里边儿还得有光子，这咋办呢？施温格就说光子应该有一个家族，这家族里边儿一共有三个粒子，另外两个是有质量的。这三个粒子就构成了三重态，就像是这个π介子一样啊，有π正负，还有π0。所以在1957年的时候啊，这施温格就发表了一篇文章，他说弱力好像没有咱们想的这么简单，传递弱力的粒子应该有三种，其中一个是光子。然后他就把自己的想法和他的一个学生说了啊，这个学生就是咱们之前提到过的格拉肖，

格拉肖是慧眼识才呀，当时杨米尔斯规范场提出之后没多久就没动静了啊，一个原因是因为他复杂，另外一个啊是他存在咱们之前说过的那个就是规范玻色子的质量问题。但是格拉肖觉得杨米尔斯规范场的，这个思想很好，他很有可能成为弱电统一的理论基础。然后这个格拉肖就进一步研究得出了一个结果，就是把他老师这个施温格模型当中的传递粒子给改了。把光子换成了一个有质量的中性粒子，然后他预言了一种现象叫做中性流，哎，就是这个中性粒子传递弱力的过程就叫做中性流，他说这个现象啊应该能够在实验当中被观察到。然后在1961年写了一篇论文就发表了出去，与此同时呢，另一个人啊叫做萨拉姆啊，这位是巴基斯坦的一位理论物理学家。他曾经对qed研究过啊，那在1964年，他也给出了一套理论,和格拉肖模型长得很像的弱电统一理论，但是格拉肖和萨拉姆的理论啊有一个共同点，就是这个规范玻色子的质量是人为给的，就他不是理论得出来的结果。咱们之前说过，为了满足场的规范性，你这个规范玻色子就不能有质量，对吧？那他俩是硬加上去的，后来到了1966年啊，这希格斯提出了希格斯机制，通过希格斯机制就可以解决这个规范玻色子的质量问题。这个问题咱们先放着啊，之后再说。于是呢在弱电统一的道路上就又出现了一个人叫做温伯格啊。

温伯格曾经是伯克利大学就是劳伦斯的研究员，他本身是一直在研究强力啊，那个时候啊就是大家的研究领域都很明确，有研究弱力的，有研究强力的，这温伯格一直想研究一个强力的场论。结果到了1967年，他突然灵光一闪，他发现啊他自己的这一套方法虽然在强力不灵，你不过用来描述这个弱电统一哎，就十分完美，正好这希格斯机制也出现了，哎，这样的温伯格就把希格斯机制啊结合了进来，建立了第一个版本的弱电统一理论，他还把格拉肖预言的这三个粒子更加明确了一下啊，中性的给起了个名叫做z粒子Z0，带电叫W+-，然后这萨拉姆也发现了希格斯机制啊，他又把自己之前的论文发了出来，哎，让这个规范玻色子的质量通过希格斯机制获得，也完成了一套弱电统一理论，所以在1967年啊，呃，人们就有了温伯格萨拉姆弱点统一模型。然后到了1970年，这格拉肖这终于复活了啊，他又把夸克体系加入到了温伯格萨拉姆模型当中来，至此一个相对来说啊比较完整的弱电统一理论终于是完成了啊，这格拉肖、温伯格、萨拉姆把这三个人就都有贡献，因此呢这个弱电统一理论啊，也被称作是GWS，就每个人名字的首字母。但是到这儿为止，这套理论还有两个问题没有解决，第一个是咱们之前说的重整化，就这个GWS模型，你要想自洽，那就必须能够被重整化，第二个问题就是GWS模型里预言了一个中性流和三个粒子啊，哎，那你如果想要人们相信你这个理论正确，那下一步就是通过实验验证。GWS模型的重整化工作是由一对师生完成的，这老师叫做维尔特曼啊，他在1971年给出了想法。维尔特曼的学生霍福特啊在1972年具体完成了重整化的工作，GWS理论可以重整化，就意味着含质量的杨米尔斯场可以被重整化啊，因此这二位的工作不仅仅是为弱电统一做出了重大的贡献啊，也是使这个杨米尔斯规范场在十几年之后终于得到了物理学家的认可。不夸张的说，就这二位的工作，极大程度上巩固了杨振宁先生在理论物理学界的地位。霍夫特的论文名称就叫做杨米尔斯场的重整化方法，呃，因此这二位师生也是共同获得了1999年的诺贝尔物理学奖啊，这个幸福来的稍晚了一些啊。

再来看实验方面，理论出来之后很快啊，到了1973年这CERN和费米实验室啊都在实验当中观察到了中性流的存在。并且与这个GWS模型所预言的结果一模一样，但是之后的很多年啊，这个GWS理论当中预言的这三个粒子，就是W+-和Z0一直都没有被发现啊，到了1979年这诺贝尔委员会等不了了，哎，直接把奖就颁给了格拉肖温伯格和萨拉姆，在萨拉姆还开玩笑说呢。这路边是在赌博吗？当然不是啊，中性流被证实了，就说明传递弱相互作用的w正负和Z0粒子一定存在啊，说到这个这个Z粒子啊。嗯，当时有人问，说你老师为啥给这个粒子起名叫z粒子啊？哎，这文博哥说主要有两个含义，第一个Z这可以表示中性，zero charge，另一方面呢，他说希望这是所有粒子里的最后一个，Z是最后个字母嘛。可见啊，这出现新粒子物理学家也挺抓狂的，你万一放不到某个现有理论里边儿，那就是要么这个理论有问题，要么你就得给出新理论啊，那这三个粒子，啊为啥一直都没被发现呢，因为质量都比较大，都在90G电子伏特左右，所以当时的加速器对撞机能量还不够，一直到了1983年啊，呃，这三个粒子终于是被人们发现了，又是在CERN，当时是使用呃270乘以270G电子伏特的这个正反质子对撞机，终于先后现了w±Z0粒子。实验的两个领头人分别是意大利物理学家卢比亚和荷兰的物理学家范德米尔啊，这台正反质子对撞机就是他俩在1981年负责建造的啊，终于在1983年有所发现。到了1984年，卢比亚和范德米尔就因为发现这个弱相互作用当中的规范玻色子w正负和Z0啊，共同获得了诺贝尔物理学奖。至此这个标准模型当中所有的规范玻色子，传递电磁作用的光子，传递强相互作用的胶子以及传递弱相互作用的W正数和Z0就都出现了,GWS弱电统一模型啊，也是从想法到理论啊，再到实验验证，先后经历了20多年，终于在众多人的努力之下修成正果了。这段故事单拿出来啊，呃，都够出一个专辑的了啊，咱们在一起视频当中聊完啊，大家肯定多少还是有些懵的，不过没办法，确实是理论部分占据了主要内容就比较抽象。

别着急，咱们的故事还没完。很早之前咱们就说过，物理学家是喜欢化繁为简的啊，你看电磁力和弱相互作用可以统一了，你还有两个力呢，引力和强力怎么办呢？哎，这引力水更深，应该高中毕业的时候啊，大家都有一种感觉，就是万有引力公式和这个电荷之间的库仑力公式啊长得特别像，

所以引力和电磁力应该很好统一吧。这个问题呀，爱因斯坦考虑了后半辈子都没有结果啊，这不是三言两语能说清的。甚至人们一度认为引力是不能够被统一的啊，所以弱电统一之后，这人们最先考虑的是怎么把这个强力统一进来。电磁力，弱力，强力三种力统一的理论啊，叫做大统一理论（Grand Unification Theory）简称GUT。格拉肖在1974年和另外一个人叫做乔吉啊，他俩给出了一个理论叫做su(5) 大统一理论。不过后来被实验证实不对啊，与实验不符，然后又相继出现了很多个变种啊，什么这个超对称大统一理论啊，等等啊，这些大统一理论都有一个统一的语言，就是质子的衰变啊，你比如说有的大统一理论就预言说质子的衰变期是十的31次方年左右，哎，可是你这怎么验证啊？这这谁也耗不过日子啊，呃，还有的理论预言了这个磁单极子啊，说在宇宙大爆炸时期啊应该产生了一些磁单极子。嗯，不过到现在谁也没发现，所以大统一理论虽然在理论上有了，不过在实验上仍然是没有被证实的啊，嗯，所以严格来讲也不能够说这个强力被统一了。还有一个原因啊，就是在弱电统一发展的同时，物理学家对于强力的研究也没有停止过呀，并且呢诞生了各种各样的理论哎，各位熟知的这个弦理论啊，最早就是为了描述强力才诞生的啊，不过后来盖尔曼的夸克模型和qcd就量子色动力学脱颖而出，这是单独的一套理论来描述这个强力很好用，所以逐渐这个各种大统一理论就走向落寞了。直到现在仍然是未解决的问题之一，热门研究方向，这是大统一理论。将四种基本作用力统一起来的理论啊叫做万有理论，哎，这万有理论就更加是未解之谜了，目前两个主流方向，一个是量子引力，呃，另外一个是弦理论，咱们之后再细说吧。但是有一点啊，就是现在的粒子物理学标准模型当中是不包括引力的啊，只有电磁力，弱力和强力，所以在粒子的标准模型当中也不包括引粒子，注意哦，好，那咱们下期呀继续回到夸克年代啊，好像还有一个夸科还没被发现呢，哎，对了，就是顶夸克。那好，咱们下期就去找夸克，下期见，拜拜。

更多同类型书籍>>>>

提升学历-成人高考报名入口提升学历-成人高考报名时间成人高考考试时间
业余时间，轻松拿提升学历，知名高校：国家开放大学（免试入学）

成人高考指南

工厂招工小时工

联系方式

1、成人高考介绍 手机号：13333709510(微信同号) 13068761630 张老师

1、成人高考介绍手机号：13333709510(微信同号) 13068761630 张老师