3弱相互作用与电磁相互作用统一的研究

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1、3、弱相互作用与电磁相互作用统一的研究至IJ二十世纪中叶，粒了世界呈现出非常fi杂的局衙，粒了数鬥众多，而且实验上发现和确证的粒子还在不断地增加，粒子之闽的相互作用有电磁作用、引力作用、强作用、弱作用四种，它们的区别很人，电磁作川和引力作川足长程力，强作川和弱作川足短程力，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4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了而传递的，光子的静质景为零，与电磁作用的长程性联系在一起。关于弱作用，在弱

2、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±jfij传递的，中间玻色子的质M很大，与电磁作用巾的光子不同，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、溫伯格和巴基斯圯物理学家萨拉姆等人建立了弱电统一理论，把电磁场和弱作川场进行成功的统一,他们因此获得1979年诺W尔物理学災。在弱电理论背U的基木对称性更加奇怪一•些，它跟空I川或时W的视点改变无关，而是关于不同类型的基本粒子的识别。在弱电现论中，如果在方程里处处以一种既非电子，也非中微子的浞合粒子态来取代电子和巾微子，则物理定律的形式是不会改变的。因为其他许多不M的粒子也

3、跟电子和中微子发生作用，所以M时需耍把那些粒子族也混合起来。如上夸克与下夸兑，光了、带正电和带负电的W粒子、中性的Z粒了。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&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，那些场足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-•样。弱电理论背后的这利1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忡称为局域对称性。还行一类精确的局域对称性，跟夸兑的一种内在性质相关，那种性质叫做夸克的颜色。

4、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，不过足川來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D夸克间的力与臼夸克和蓝夸克间的力是一样的；两个红夸克间的力与W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，主要是原了核的3袞变现象。IB袞变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个反屮微子。凡是涉及到屮微子的反应都足弱相互作川过程。弱相互作川仅在原子核内起作川，力程非常短（人约在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粒子作为巾间粒子，它的

5、质M要比核子人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!li现了无穷大困难。后来，人们将弱相互作川与电磁相互作用作类比，假定粒子除了带冇电荷以外，还带冇弱荷，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，W而弱荷也是守恒的。采用这种办法不仅*服了无穷大闲难，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Z°,笫四种就是光子，它们分別传递三种弱相互作用和电磁相互作用。因血，这一理论不仅兑服了无穷大困难，而.R.还将弱相互作用和电磁相互作用统一了起来，因而这一理

6、论被称为弱电统一理论。弱电统一理论所预言的三种屮阅波色子经过人们长期的不懈努力，最终在实验屮被全部发现，卯且它们的质暈与主要性质理论与实验也符合得很好。参与碰摘的粒子称为费米子，其自旋为半整数。由于W粒子间的碰摘是间隔一定距离的，这种碰摘并不是超距作川，而是要通过媒介粒子来传递，这个起传递作川的粒子就象是一个“媒婆”，被称为玻色子，wtl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）。在鲎子力学中，粒子从初态到末态的跃迁，涉及到粒子的湮灭与产生。讨以近似的用费米公式和量子场论的

7、相应公式进行计算。计算中，4个费米子（中了、质了、电子、电了中微了）通过一个中间玻色了联系。通过跃迁前活费米了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川常数的关系。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。多年以來，关于电磁力己有了很成功的理论，人们认为带电粒了•