最美数学公式的150年:麦克斯韦方程组与“无用(2)
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【摘要】约翰·埃利斯(John Ellis) 麦克斯韦时代之后,基础物理学又走过了长长的道路。20世纪30年代末期,科学家们意识到,除了电磁力与引力(17世纪牛顿发现
约翰·埃利斯(John Ellis)
麦克斯韦时代之后,基础物理学又走过了长长的道路。20世纪30年代末期,科学家们意识到,除了电磁力与引力(17世纪牛顿发现了万有引力,1915年爱因斯坦完成广义相对论,指出引力是空间与时间弯曲产生的一种影响)之外,宇宙中还存在其他的基本作用力。他们先后发现了使原子核中的质子和中子聚合在一起的强相互作用(strong nuclear force),以及解释某种放射性衰变的弱相互作用(weak force)。对20世纪物理学家而言,下一步的重任则是他们能否更深刻地将这两种新的基本作用力。”埃利斯说道。
为描述弱相互作用,物理学家采用了与电磁理论类似的理论,最终在终极统一理论的道路上更进了一步。他们认为,弱相互作用和电磁相互作用其实犹如同一枚硬币——电弱相互作用(electroweak force)——的正反面。这个想法有些匪夷所思,因为弱相互作用的表现既不同于电又不同于磁。正如“电弱相互作用”的名字所揭示的那样,这种相互作用确实弱一些。它的作用范围仅在3 x 10^-17米以内,在原子核尺度上弱相互作用仅相当于电磁相互作用的分之一。“如果它不够弱,生命可能就无法存在。”埃利斯说道,“不是说没有它我们会死,而是没有它我们根本就不可能诞生。如果电弱相互作用并不弱,宇宙可能是截然不同的另一番模样。”
电弱统一的观点认为,电磁相互作用与弱相互作用在宇宙形成的最初阶段具有一定的相似性,在大爆炸之后的一段时间,随着宇宙的冷却,这两种作用才渐渐分离开来,最后变得截然不同。这种想法听起来有些奇怪,但也并非完全陌生:想想水结冰时所经历的变化,或许就能从一定程度上理解。
电弱统一理论于20世纪60年代被提出,用一个统一的数学框架描述了电磁相互作用与弱相互作用。“这些相互作用的基本描述特别类似于麦克斯韦方程,所以它是一种统一理论,”埃利斯解释道,“这组方程形式上更复杂,但是从理论上来讲,它们又非常简单,因为对称性将它们关联起来。”
之所以我们今天所看见的四种基本相互作用彼此不同,可以解释为原本存在的对称性被隐藏了。这一思想同样可以用水作为例子来说明:用于描述水自然规律在各处都一样,也并不偏向于空间上的某一特定方向,这也是为什么这片海洋里的水和那片海洋里的水看起来都一样,而且不管从哪个方向看都是如此。然而,水结冰形成冰山以后就完全不一样了,它们似乎没有了以上的对称性:没有两座冰山看起来完全一样的,旋转对称的冰山也少之又少。但水的对称性(即不随着位置或者方向而改变的特性)并非消失了,它依然存在,只是隐藏在幕后。
回到相互作用——结果表明,每种相互作用都是通过“信使”粒子——玻色子传导的。最初,所有的“信使”粒子都是完全没有质量的(实际上,宇宙中所有粒子都是如此)。但随着宇宙的冷却,物质开始凝结成各种不同的形态,弱相互作用的“信使”粒子(以及其他粒子)获得了质量,而电磁相互作用的“信使”粒子依然没有质量。弱玻色子太“重”,以至于很难产生,这也是弱相互作用之所以这么弱的原因。“如果那些粒子并不重,那么弱相互作用与电、磁一样重要,我们就都要被肢解了。”埃利斯说道。
发现新粒子
最开始,这一理论并未引起关注,但是在20世纪70年代以后,理论与实验结果都进一步支持了这一理论。“我是1975年开始涉足这方面研究的。我认为这些传递弱相互作用的重“信使”粒子肯定存在,所以总会有人发现它们。”埃利斯说道,事实证明他是对的。传递弱相互作用的重玻色子(又称为Z玻色子和W玻色子)于1983年在欧洲核子研究中心(CERN)被发现。而最重要的玻色子莫过于希格斯玻色子(Higgs boson),它在某种意义上是打破电弱统一理论对称性的媒介,因此可以被看做是粒子物理学的圣杯。我与玛丽·盖拉德(Mary Gaillard)以及Dimitri Nanopoulos也曾合作了一篇论文,讨论这种玻色子会是什么形态的。最终,在2012年,大型强子对撞机(LHC)中的实验发现了希格斯玻色子,完成了电弱统一图景,换句话说,也就是对称性及其被打破的过程。
电弱统一是理论物理的巨大胜利。谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)、 阿卜杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)和史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)完成了电弱统一的理论架构,弗朗瓦索·恩格勒(Fran?ois Englert) 和彼得·希格斯(Peter Higgs)描述了质量相关对称破缺机制,他们均因此获得了诺贝尔物理学奖。同麦克斯韦与埃利斯一样,希格斯也在伦敦国王大学度过了一段美好时光,不过是作为学生而非老师。 文章来源:《应用数学和力学》 网址: http://www.yysxhlx.cn/zonghexinwen/2021/0625/808.html