基本相互作用的统一.docx

基本相互作用的统一微观粒子之间存在着多种多样的相互作用，正是由于这些相互作用导致了粒子的产 生、湮灭和相互转化，构成了粒子运动的丰富生动的图像据迄今所研究的微观粒子之 间，人们发现它们之间存在着四种基本相互作用长期来，粒子物理学家一直在探索研 究，它们是否可以从更深刻的角度统一起来微观粒子之间的基本相互作用，按其作用的强度，主要有以下四种强相互作用结合核子成为原子核的核力以及介子和重子相互碰撞时产生粒子过程的相互作用均属 此类，表征其强度的数量级约为1〜10其有效力程约为10-13厘米，当两个强子相互接 近到相距10-13厘米左右时，它们几乎肯定会发生强相互作用假定粒子的速度接近光 速，那么通过这段〜10-13厘米的有效力程时，所需要的时间将是〜10-23秒也就是说， 强相互作用在〜10-23秒内进行完毕，这个时间就成了强相互作用的特征时间在强相互 作用的过程中所有守恒定律都成立，具有最高的对称性质光子和轻子没有直接的强相互 作用，而重子和介子具有直接的强相互作用，所以我们把重子和介子统称为强子电磁相互作用所有荷电粒子和光子之间的相互作用，其强度的数量级约为10-2其有效力程可达 无穷远（当然作用力的大小还是随距离增加而减小的）。

光子是电磁作用的媒介粒子，荷 电粒子之间的电磁作用是由于它们之间交换了光子而形成的守恒定律中例如同位旋守 恒，在电磁相互中遭到破坏电磁相互作用的特征时间约为10-21秒电磁相互作用理论 是目前各种相互作用理论中发展得最完整的理论，也是各种相互作用理论的典范弱相互作用除光子外，粒子都具有弱相互作用，主要表现在粒子衰变过程之中其强度的数量级 在低能时约为10-6，在高能时可达10-5守恒定律中例如同位旋、奇异数、宇称、电荷共 轭等不变性均遭到破坏弱相互作用的有效力程＜10-15厘米，即使在这样短的距离内弱 作用粒子相互作用的几率也只有10-10弱相互作用产生所需要的时间可由10-18秒直到 15分钟引力相互作用所有粒子都具有引力相互作用，其强度数量级约为10-38,其力程可达无限远处由 于其强度极小，而微观粒子的质量又都很小，因此在微观粒子领域里，引力相互作用相对 于其他相互作用常常是可忽略不计的然而在宏观物体特别在天体物理领域里，因物体质 量巨大，引力相互作用则起主导作用由此可见，这四种基本作用中，相互作用愈强，所服从的守恒定律就愈多，对称性也 就愈高，所涉及的粒子却愈少相反，相互作用愈弱，守恒定律被破坏的就愈多，对称性 也就愈低，所涉及的粒子也愈多。

应该指出，此处所谓相互作用的强度是指在一定标准条 件下的粗略的数量级的估计每一种相互作用的大小常常是与粒子所处的状态有关的例 如在极高能的条件下，弱相互作用可以变得很强，而强相互作用可以变得很弱弱电统一理论四种基本相互作用统一的探索研究，一直是现代物理学家所关注的重大课题爱因斯 坦在建立广义相对论后，花很长时间致力于统一场论的研究，他希望能建立一个电磁作用 和引力作用相统一的理论爱因斯坦的这个探索研究没有取得成功，现在看来，主要在于 物理学的发展在当时条件还不够成熟当时尽管对电磁作用和引力作用的规律认识比较清 楚，但是对弱作用和强作用这两种只有在微观粒子领域才明显呈现短程相互作用的规律却 知之甚少粒子物理学几十年的探索研究表明，首先取得成功的是弱相互作用和电磁相互 作用之间的统一1961年，美国物理学家格拉肖首先提出了弱相互作用和电磁相互作用统一的猜想，预 言中性弱流的存在，这就为弱相互作用和电磁相互作用统一的研究拉开了序幕其后，美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆分别于1967年和1968年各自 独立地提出把弱相互作用和电磁柑互作用统一起来的具体方案这方案把电磁相互作用的 规范粒子（光子）和弱相互作用的规范粒子（中间矢量玻色子W，中性矢量介子Z）联在一 起，把它们看成是同一矢量粒子家族中的成员，并采用希格兹（Higge）机制，使弱相互作 用的规范粒子获得质量，同时猜想这个理论能够重整化。

这就是所谓温伯格-萨拉姆弱电统 一轻子模型理论（简称WS理论）弱电统一理论除了可以解释已知的弱相互作用和电磁相互作用的基本规律外，还要求 存在“弱中性流”，即不转移电荷的弱相互作用过程在研究弱相互作用的几十年间，这 种过程始终没有被发现但是，由于格拉肖对它们的存在提出预言，便在短短的几年间， 即1973年，在西欧核研究中心首先发现了中性流的径迹记录随后又在费密实验室等处， 从中微子诱发的反应中观察到这类过程这就表明格拉肖所作的理论预言是正确的至于弱电统一理论最直接的实验验证，应是传递弱相互作用的W粒子和Z粒子的发 现理论预言W粒子的质量为（82.0±2.4）GeV，Z粒子的质量为（93.0±2.0）GeV，由 于这些粒子质量约为质子质量的87——99倍，一直到80年代初才有可能在用加速器所进 行的实验中产生1982年，西欧核研究中心发现了 W粒子，其质量为（80.9±1.5）GeV1983年，西欧核研 究中心又发现了 Z粒子，其质量为（95.6±1.4）GeVW粒子和Z粒子的发现，进一步支 持了弱电统一理论大统一理论正是在弱电统一理论的启发下，人们又去探索研究强、电、弱三种相互作用的统 一大统一理论。

尽管物理学家提出了许多种大统一模型，各有不同的特点但是迄今为 止，还没有任何一个大统一模型得到实验的判定性检验比较而言，SU（5）模型可以概括的已知规律很多，同时又不引入过多的未发现的粒 子，比起其他模型处于更重要的地位，事实上许多模型都是以SU（5）模型为基础而建立 的SU（5）模型的基础是强相互作用的色动力学理论和弱电统一模型，它可以解释这两个 理论可解释的实验SU（5）在把强相互作用和弱相互作用进一步统一起来时，所得出的新 结果可以算出弱电统一模型中未知参数的值，且和实验测得的值相符合SU（5）模型中最 重要的和过去理论不同的结果是预言质子可以衰变，其值小于1031年然而目前实验值为 大于1032年，因此现有实验并不有利于SU（5）大统一模型80年代以来，许多物理学家又在探索建立超对称大统一模型，在这种模型中把四种基 本相互作用都统一起来由于在大统一理论范围内，许多可能的模型已被试探研究过，因 此从1980年起，物理学家对基本相互作用统一的研究，已从大统一理论转移到超对称大统 一理论方面来，这是探索四种基本相互作用统一的又一个事要动向然而问题是，基本相 互作用是否真能统一？到什么能量尺度才能统一呢？。