超统一场论
21页1、超统一场论冀绪根物理学是研究物质的基本结构和物质运动最一 般规律的科学。迄今为止,人类认识的宇宙间的力 有四种,那就是强力、弱力、电磁力、万有引力。 虽然这四种力无论从强度上,还是从作用距离上都 有着巨大的差异。但是理论物理学家却认为自然界 是和谐的,统一的,四种力之间不仅具有内在联系 而且是统一的。长期以来,世界上有不少物理学家 一直在试图找到一个统一、简洁、和谐的数学公式 来概括这四种自然力。1、统一理论的进展从本世纪 20 年代开始,爱因斯坦花费了半生的 精力,力图把电磁力与万有引力统一起来。海森堡 也作了种种尝试,但都没有成功。直到1967 年,温 伯格、萨拉姆、格拉肖等人提出了弱力与电磁力的 统一模型,统一理论才取得了一点进展GSW理论 所预言的四个规范波色子有三个得到了证实,但仍 有一个希格斯粒子没有找到。因此,承认该理论还 为时过早。在GSW理论得到了部分证实之后,近年来一 些物理学家提出各种“大统一”理论(GUTS),试 图证明除引力外的其他三种自然力同源。被称为“ SU (5)型”的乔治格拉肖的大统一理论认为:(1) 质子的寿命为1031年,主要衰变为正电子和n介子;
2、(2)存在着名为“磁单极子”的很重的基本粒子。 然而,“大统一”理论未得到任何证实。2、爱因斯坦广义相对论难以解释的问题 爱因斯坦于本世纪初,在牛顿引力理论的基础 上,建立了广义相对论,即引力理论的相对论。虽 然广义相对论能够解释水星的近日点的进动,预言 了光线在恒星附近的偏折,但它仍然难以解释天体 物理学中几个最基本的问题,即2.1 宇宙遗失 97%质量问题;2.2 星系的外缘恒星比内缘恒星公转速度快的问题;2.3 星系的形状问题。3、超统一场论的基本思想超统一场论所要解决的是支配天体运动的力、弱力、强力及电磁力四种力的统一。面对差异如此 之大的四种力,它摈弃了“弱电统一理论”中相互 作用是交换虚光子或中间波色子的过程,代之以能 量和能量守恒为核心的场论。核心如下:3.1 任何粒子都是具有形状和大小的。那种脱 离物质的基本结构,而谈论物质的运动规律是不完 整的。3.2 任何物质都有自旋运动。自旋的方式有两 种:一种是呈柱面波动的螺旋运动,其自旋方向和 动能方向垂直;一种是呈平面波动的月亮运动,其 自旋方向和动能方向在同一平面上。所谓“自旋为 0” 的基本粒子,均是后一种运动方式。3.
3、3 粒子的周围存在场,这种场具有方向性。3.4 粒子的场分动能场和自旋场两种。场强的 大小,不仅与场源的大小有关,而且与场源的表面 积有关。3.5 支配天体运动的力同弱、强相互作用在性 质上是一样的,只是由于自旋场的强度及接受场强 的面积不同造成巨大差异的。3.6 电磁力同强、弱相互作用在性质上也是一 致的,只是由于场源能量(静电能)及作用对象的 不同,造成差异的。3.7电磁作用之所以是强相互作用的丄,是137因为一个电荷的静电能,是电子静能量的丄。1373.8 重力是一种系统力,它与支配天体运动的力从性质上讲是一致的,但它们也有区别:支配天 体运动的力存在于整个宇宙空间,而重力只存在于 分子线度上的连续媒介系统;支配天体运动的力的 方向是单一的。而重力的方向是多向的。4、超统一场论所需的常数及符号的设定4.1 引进的常数光速 C=2.997925xlOio cm/秒电荷 e=1.6021x10-19 库仑=4.803x10-10 静库普朗克常数h=1.05456x10-27尔格秒 中子静质量 M =939.55MeV/c20n质子静质量 M =938.26MeV/c20p电子静质量
4、M0e=0.511MeV/c20e4.2 符号的设定0及一一分别代表粒子场的能量及被作用粒 子接受场的能量V粒子动能方向的速度Vf 一一粒子自旋方向的速度G粒子动能场的场强。物理意义为单位面积 发出或接受的能量Gf及G,分别代表粒子自旋场的场强及接受 的自旋场强。有Gf=0/ Sf和G,=07 S,J公转角动量Jf自旋角动量a0静质量时粒子的自旋半径4.3 求粒子的自旋半径 a0.=E .方 V w a = V w a =0 0 f 0 力0 E乂角动量守恒 J = m a V = n方(n为整数) f00 fh2mE00ma00(旦)2mc0ma0h c()2E0(1)mc4.4 求自旋速度 Vfh cV = w a = w = c (2)f 0 0 0 E0上式说明粒子的自旋速度等于光速。另一方面 狭义相对论有以下公式E = m c /1- VI c0当动能速度v-o时,E0=m0c2说明粒子的静质量是动能为 0 时,自旋所具有的能量。4.5 质子、中子、电子的自旋半径a = 2.1 0 3 19 3 x 1 0 -14 cm 0pa = 2.1 00305x10-14cm0na
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