形上集

物理學中不(能)解釋的起點(三)

2013-01-01 高涌泉
- 電磁、弱、強作用現象的最小單元極為類似,認知這一點是20世紀物理的重大成就。


我在前兩回「形上集」說明了(1)最基本的電磁交互作用就是帶電粒子(例如電子)發射或吸收(實或虛)光子的過程(見電磁作用圖),自然界中變化多端的電磁現象全是由這種基本過程組合起來的;(2)最基本的弱交互作用就是下夸克發射(吸收)帶負(正)電的W玻色子、然後轉變成上夸克(見弱交互作用圖),以及電子發射(吸收)帶負(正)電的W玻色子然後轉變成電子微中子等類似的過程,一切的弱作用現象也都是由這些基本過程構成的。電子、夸克、微中子都是自旋角動量為1/2(單位為普朗克常數除以2π)的費米子,光子與W玻色子都是自旋角動量為1的向量玻色子,所以無論是電磁或是弱交互作用,歸根究柢,就是自旋1/2費米子射出或吸收自旋1向量玻色子的過程。


自1950年代末,眼光過人的物理學家如施溫格(Julian Schwinger)就注意到電磁與弱這兩種作用竟然有如此相似的基本過程,因此猜測此兩種交互作用應該可以統一起來。施溫格當時任教於美國哈佛大學,是學生競相要跟隨的博士指導教授,他將統一電磁與弱作用的工作交給博士生格拉肖(Sheldon Glashow),做為博士論文主題。幸運地拿到了一個好題目的格拉肖不負使命,在1961年發表了一個理論模型,結合了電磁與弱作用。


格拉肖唯一不能好好解決的問題是如何讓W玻色子帶有質量:電磁交互作用和重力一樣可以跨越很長的距離,但弱作用現象只在極小的時空範圍內發生,這個重大差異來自於光子沒有質量,可是W玻色子卻很重,然而怎麼賦予W玻色子質量呢?質量問題如果處理不當,理論就會產生矛盾。1967~68年間,物理學家溫伯格(Steven Weinberg)與薩萊姆(Abdus Salam)利用「希格斯機制」解決了W玻色子的質量問題。格拉肖、溫伯格與薩萊姆三人也因為成功合併了電磁與弱作用(今天我們將兩者合稱為電弱交互作用)而獲得1979年諾貝爾物理獎。


在電弱作用之外,微觀世界中還有強交互作用也扮演重要角色。物理學家在1960年代以高能量的電子射向核子(質子與中子),他們分析彈射出來的電子,發現核子是由更小的夸克所組成的。夸克和電子一樣也是自旋角動量為1/2的費米子,不過所帶電荷不同(夸克電荷為電子電荷的±1/3或±2/3),質量也不一樣。既然夸克能夠在很小的空間內聚合成質子或中子,它們彼此間必有相當強的吸引力,為了說明這一點,物理學家便設想夸克帶有所謂的「色荷」,讓它們能夠發射或吸收稱為膠子的向量粒子(見強交互作用圖),這種情況就好像帶有電荷的物體可以發射或吸收光子;電子與微中子不帶色荷,便無法與膠子發生作用。一個夸克發射的膠子被另一個夸克吸收,兩者之間就產生(強)交互作用,其強度由色荷大小決定。


膠子與光子雖然都是向量粒子,但光子不帶電荷,不會和其他光子打交道,可是膠子卻也帶色荷,因此本身就能夠發射或吸收另一個膠子。膠子的這種特性使得強交互作用有個稱為「漸進自由」的怪異性質:夸克相距越遠,交互作用就越強,反之,若越靠近,作用就越弱。對於種種強作用現象,實驗與理論的配合也非常出色。


電磁、弱、強作用現象的最小單元都是自旋1/2費米子(電子、微中子、夸克)射出或吸收自旋1向量玻色子(光子、W玻色子、膠子)的過程,認知這一點是20世紀物理的重大成就。


# 關鍵字:名家專欄物理形上集
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