普利斯特里的实验,普利斯特里奖( 四 )


从伦琴发现X射线,到居里夫人发现了镭,科学家们发现,原来原子量很大的元素,几乎都具有放射性 。这种放射性共有三种不同的成分,分别是α、β、γ射线,这个时候,科学家就十分好奇,到底是什么力量把α、β、γ射线中的粒子从原子核内部抛出来的呢?费米认为是弱力在起到作用,他把弱力用看做是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用,提出了费米弱作用理论 。
由放射源放出的三种射线(α,β,γ),
1935年汤川秀树提出了质子和中子通过交换一种未知的介子形成原子核内很强的束缚力(核力),这种力与交换无质量光子的电磁力不同,它是短程力,这是人类第一次接触到强力,后来科学家又在实验室中发现了几百种有强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子 。(所有受到强相互作用影响的粒子就叫强子),但是知道20世纪60年代,关于强力的理论—量子色动力学才逐渐完善 。
强相互作用力(Strong Nuclear Force)把原子核里面的中子和质子紧紧束缚在一起
【普利斯特里的实验,普利斯特里奖】在这四大相互作用之中,作用距离最短的是弱力,其次是强力,然后引力和电磁力的作用距离都是无限,而其中最强的则是强力,然后是电磁力、弱力,最弱的是引力,两个质子间的万有引力只有它们间的电磁力的1/(1.235*10的36次方),质子受地球的引力也只有它在一个不强的电场1000伏/米的电磁力的1/(9.761*10的9次方) 。
在宏观世界里,能显示其作用的只有两种:引力和电磁力 。其中引力负责传递的例子是目前还处于假设当中的引力子,而强力负责传递的则是胶子,电磁力负责传递的光子,而弱力传递的是玻色子 。
从20世纪初开始人类就想将这四大相互作用统一,从而实现物理的大一统 。
爱因斯坦探索的失败在完成了《广义相对论》之后,爱因斯坦一直想要实现物理的大一统,他后半生30年的光阴基本上耗费在了这上面 。
因为在20世纪初,弱力和强力还没有被发现,爱因斯坦的几何化观点一度十分盛行,也就是数学直观与物理直观相结合 ,相应的数学理论便成为物理理论的基础 。黎曼几何与爱因斯坦相对论正是这种情形 。在广义相对论中 ,引力场由度量张量代表 ,自由下落的粒子沿测地线运动,场方程是广义协变的 , 整个空时就是黎曼流形 。这就是物理学的几何化 。
再加上在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲,因此设法进一步把电磁场也和时空的其他几何属性联系起来,便成为那时统一电磁作用和引力作用的各种理论方案的中心思想 。所以当时爱因斯坦等一众科学家都想要将电磁力和引力相统一,由此提出了统一场论 。
大数学家外尔从爱因斯坦广义相对论的对称性得到启发,意识到了电磁场的麦克斯韦方程也应当像爱因斯坦场方程一样,对应于一种基本的对称性,外尔在1918 —1919 年间连续发表《纯粹无穷小几何》、《引力与电力》和《相对论的一个新推广》三篇论文 。建立了一种叫做“标度不变性”的对称变换,以统一引力和电磁力为目标,从对称观点出发,立足于规范不变,可惜却没有成功 。(虽然没有实现大一统,却为杨振宁的规范场论奠定了基础)
爱因斯坦曾这样评价外尔的尝试:“你的思想表现出一种奇妙的内在一致性 。除了与实在的符合之外 ,无论如何 ,它都是巨大的思想成果 。”
“尽管你的想法非常美妙 ,但我不得不坦诚地说 ,依我看来 ,这个理论不可能与自然相符 。”
但是爱因斯坦的探索却一直失败,他在 1929 年发表了《关于统一场论》的新论文,这篇论文试图在时空流形除了具有黎曼度规外还具有绝对平行性的条件下去获得引力和电磁力的统一理论,但是却并没有得到实质性的突破,后来爱因斯坦又转向研究卡鲁查-克莱因理论,卡鲁查是早期统一场论研究的代表人物,T.卡鲁查和O.克莱因把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量,他并不是像爱因斯坦思考那样,建立新的几何理论去统一引力与电磁作用,而是把黎曼几何从 4 维 推广到 5维 。革命性地提出了高维空间的概念 。

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