5.对称的绝对性与相对性原理在基本粒子理论中的表现形式.docx

对称的绝对性与相对性原理在基本粒子理论中的表现形式

（1）波色子与费米子

粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一类是费米子，得名于意大利物理学家费米，另一类是玻色子，得名于印度物理学家玻色.区分这两类粒子的重要特征是自旋.自旋是粒子的一种与其角动量（粗略地讲，就是半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质.量子力学所揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取普朗克常数的整数倍（玻色子，如光子等）或半整数倍（费米子，如电子、质子等）.

费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律.前者遵循的费米-狄拉克统计，其中一个显著和特点，就是1925年瑞士科学家泡利发现的“泡利不相容原理”，即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子.这就像电影院里的座位，每座只能容纳一个人.而玻色子则完全不同，一个量子态可以容纳无穷多个玻色子.因此也只有玻色子才可能出现玻色－爱因斯坦凝聚现象.例如锂的两种同位素锂6和锂7分别为费米子和玻色子.图片分别显示在810、510和240nk时锂6和锂7原子气和原子云照片.我们可以看到，锂7（左），随着温度的降低所占的尺寸变小，也就是发生了凝聚，而锂6（右）的尺寸则保持稳定，不发生凝聚.这是因为泡利不相容原理的限制，使两个费米子不可能在同一时间占据同一个空间.正因如此，白矮星最终只能在引力作用下坍塌到一个极限尺寸而不再进一步缩小.

玻色子包括：胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种；光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种.这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子).在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋.

在量子力学中，把相同粒子（引力质量、电磁质量（后面分析电磁质量不是引力质量的一部分）、自旋等内禀性质完全相同的粒子，如n个电子、n个质子等）构成的系统，称为全同粒子系统.全同粒子系统的波函数和单粒子波函数类似，是各个粒子的坐标和自旋分量的函数.Pauli不相容原理是对称的相对性的表现形式，而粒子的全同系统原理是对称的绝对性的表现形式.

物质与反物质既是对称的，又是不对称的——在自然界里物质比反物质多得多.把物质的贡献几何化就需要把费米子和玻色子变得比较统一起来，而费米子和玻色子在现有理论中还是不对称的.除规范理论和引力外，弦论还可以导出超对称，这是一种玻色子与费米子之间的对称性.

物理世界中已经有大量实例证明，可以使费米子具有玻色子的行为，例如在超导与超流的实验中让费米子配对后就能使它具有玻色子的行为特征.这是对称的绝对性的表现形式.关于正负电荷的对称性（electriccharge共轭不变性），用C表示electriccharge共轭变换.Dirac的假说导致了在所有情形中正电和负电在本质上的等价性，但是在弱相互作用中没有观测到electriccharge共轭不变（后面将提出弱相互作用是万有引力的反作用力，与electriccharge共轭变换无关）.现代科学发现了electriccharge共轭不对称性，electriccharge共轭不对称是对称的相对性的表现形式.

基本粒子分为波色子和费米子体现了对称的绝对性，费米子和玻色子遵循完全不同的统计规律，表现了对称的相对性，这些充分说明了对称的相对性与绝对性原理在基本粒子理论中是正确的.

（2）电子与正电子

1932年8月2日，美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告，他们发现了正电子.正电子的发现是利用云雾室来观测到的.在云雾室中充入过饱和的乙醚C4H10O，当物质放射出正电子时，正电子穿过云雾室，在正电子运行轨道中出现液滴线.他发现，宇宙射线进入云雾室穿过铅板（6毫米）后，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样但是弯曲的方向却“错”了.这就是说，这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的反电子.在正电子运行轨道中出现液滴线，通过外加磁场测量正电子的偏转方向及半径就可以知道它的带电符号及荷质比从而确定正电子的性质.

（3）宇称的守恒与不守恒

各维牵引矢量反向变换、自旋反向变换的各“正交、归一矩阵”分别决定，各自相应的对称性守恒量：镜面对称(二维、三维空间的反向变换)、宇称对称(四维时空的反向变换)、各维的手征对称(各维空间、时空的自旋反向变换).由于各变换矩阵都是“正交、归一”的各维牵引矢量各自相应的对称性守恒量都必然是守恒的，这也可由有关的拉格朗日量的变分证明.但是不同维牵引矢量、不同对称性的对称性守恒量却是彼此显著不同的.由于相对论仅有三维空间和四维时空的矢量，后来发展的量子色动力学、夸克模型，也都局限于三维空间和四维时空的矢量，所以也只有三维空间矢量和四维时空矢量的对称性守恒不变量.

我国物理学家杨振宁和李政道在共同研究电磁驰豫过程的对称性时，首次发现“弱力作用下宇称对称性不守恒”，并由吴健雄用实验证实，就已经发现：弱力与三维、四维矢量的引力、电磁力的显著差别，对全面认识四种相互作用力，起着关键的重要作用，引起国际科学界极大的重视.后来又有物理学家在分析基本粒子演变时，仍然仅按三维、四维矢量的对称性分析，发现“强力作用下对称性的‘自发破缺’（也就是所谓‘自发地’对称性‘不守恒’）”.因而都不能解释它们为什么会“对称性不守恒”？其实这是因为弱力和强力都是十二维的矢量，其对称性当然显著不同于三、四维矢量的对称性，现有理论尚未解决四维时空的矢量运算及其相应各多维矢量的对称性，而误认为其“对称性不守恒”.中微子与反中微子分别都是由电子和正电子在近程的强力作用下形成激发态，经一定的驰豫时间转变为弱力作用下辐射相应的光子而成为，非激发态的，各自只有唯一的一种粒子.中微子和反中微子的所谓“对称性破缺”就也只能是因为弱力和强力都是十二维的矢量其对称性不同于三、四维矢量的原因.