普利斯特里的实验,普利斯特里奖( 五 )


然而爱因斯坦花了十年的时间去研究卡鲁查-克莱因理论,却依然没有实现电磁力和引力的统一 。但是爱因斯坦的探索却为后来科学家探索物理大一统指明了新的方向 。
电弱统一理论的提出随着弱力的强力的相继发现,科学家不再执着于引力和电磁力的统一,而是另辟蹊径,想要先实现弱力和电磁力的统一 。
这个时候,杨振宁把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念,推广到不可对易的定域对称群 。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质,从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径 。由此提出了杨·米尔斯理论,构成了现代规范场理论的基础 。
1957年施温格建议光子和弱作用中间玻色子W+和W-是一个家族的三个成员,以非常直接的方式把弱作用与电磁作用统一了起来 。但是W非常重,光子没有质量,它们怎么能看成一个多重态的成员,对此他不能给出令人满意的解释 。
1958年,费曼和盖尔曼与马尔萨克和苏达珊两组理论家几乎同时提出了V-A理论,修改费米弱作用理论 。因为费米使用的是基于四个费米子直接接触而相互作用的一种唯象理论 。费米理论在低能极限与实验结果符合得很好,但用于高能情况时不太成功 。费米理论预言宇称守恒,显然与实验事实不符 。此外,接触作用的模式有其局限性,从现代物理量子场论的观点,无论作用距离多近,都应该用它们之间的场来描述 。
费曼
按照V-A理论,中子与质子或中微子与电子不仅形成了矢量流(V),而且还形成了一种轴矢量流(A) 。流-流耦合还是对的,只不过现在的流是矢量流与轴矢量流的组合 。V和A在空间反射变换下符号的变化刚好相反,所以“V—A”理论中的拉格朗日函数包括的两项在空间反射变换下符号的变化相反,变换后的拉格朗日函数与变换以前不再相同,不变性不再存在 。
但是V-A理论并没有解决费米理论中的实际问题,比如不可重整化和在高能下破坏几率守恒 。在V-A理论理论之后,施温格让自己的学生格拉肖来继续这项工作 。
弱力与电磁力虽然存在某些共同点,却有许多本质性的不同,比如说,量子电动力学认为,两个带电粒子(比如两个电子)是通过互相交换光子而相互作用的.,而弱相互作用的理论指出,它是由W及Z玻色子的交换(即发射或吸收)所引起的,由于弱力是由玻色子的发射(或吸收)所造成的,所以它是一种非接触力 。
两者是完全不同的相互作用形式,并且,弱相互作用的耦合常数(相互作用强度的一个指标)介乎10?7【10的负7次方】与10?6【10的负6次方】之间,而相比下,强相互作用的耦合常数约为1 。两者相差好些个数量级,如何能够将它们统一起来呢?
然而,科学家们注意到,两种相互作用的相对强度,是随着作用距离的变化而变化的 。当粒子之间的距离小于10^ 7米(表现为能量增加到1012GeV)之后,弱力将随着距离的减小而迅速增大,最后将达到可以与同样距离的电磁力相比较的程度 。
电弱在高能(短距离)时统一成一种力
在距离很短时,刚才所说的弱力与电磁力之间强度的差别就不成为问题了 。在那种情形下,将弱相互作用与电磁作用统一起来,应该是完全可能的 。
格拉肖创新性地将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中 。格拉肖写出了正确的群结构,引入了弱相互作用的中性流及其传播子 (即Z玻色子)。不过格拉肖模型的缺陷是:它基本上还只是一个唯象学模型,并没有以杨·米尔斯场论为基础;因此它缺少对称性自发破缺的机制,这个时候希格斯机制的提出让这项工作得以继续 。

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