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基本粒子结构认识的进展

在某些年轻一代的物理学家看来，理论物理学被归结为用抽象群数来补充的复变量复值涵数的数学了.这种片面的抽象化趋势缺乏某种对于创造性思维来说是很重要的东西.最近二、三十年中，没有出现物理学家的思维方面的真正革命.换句话说，在1905年建立起来的狭义相对论，以及在二十年代建立起来的量子力学，它们的基本概念都没有在本质上发生变化，而只是抽象进步了.如果我们更加注意直觉式大胆的想象来作为不可避免的抽象化趋势的一种补充，基础物理学的又一次返老返童是可以期望的.我坚信用某种方法可以合理地把握住基本粒子的结构，而且，当然我正在为寻找可能的答案而费脑筋.我相信，这样的一天会到来.那时，我们将知道基本粒子的内心，即使这一切不会像庄子知道鱼的内心那样简单，但为了作到这一点，我们也许必须采取冲破现有知识框框的奇妙的思维方法.──汤川秀树

所有的电子都是全同粒子，所有的质子也都是全同的粒子.这里是称质量、电荷、自旋等固有性质完全相同的微观粒子为全同粒子.由全同粒子的不可区分性，使得在全同粒子组成的体系中，两全同粒子相互代换不引起物理状态的改变，这个论断被称为全同性原理，它是量子力学的基本原理.其次，微观全同粒子的不可区分性，对全同粒子的波函数提出了一个严格的要求.自旋为1/2的奇数倍的粒子，如电子、质子、中子等，遵从费密-狄喇克统计，称为费密子，由费密子组成的全同粒子体系的波函数是反对称的.自旋为零或为1/2的整数倍的粒子，如光子，遵从玻色-爱因斯坦统计，称为玻色子，由玻色子组成全同粒子体系的波函数是对称的.原子、原子核等复合粒子，到底属于哪一类粒子，则取决于它们所含费米子的奇偶数而决定.由奇数个费米子组成的复合粒子遵循费米统计，仍为费米子.由偶数个费米子组成的复合粒子遵循玻色统计，则为玻色子.由玻色子组成的复合粒子，仍是玻色子.由此可见，由无相互作用的全同粒子所组成的体系的哈密顿算符其本征函数等于各单粒子哈密顿算符本征函数之积，本征能量则等于各粒子本征能量之和.

Seiberg和Witten的工作主要讨论求解N=2超对称规范理论的问题.自然界中的基本粒子分玻色子和费米子两大类，这是两类统计性质完全不同的粒子.超对称性是一种关于玻色子和费米子的对称性，N=2超对称是比最基本的N=1超对称限制更强的一种超对称，前面提到的粒子物理的标准模型不是超对称性的理论(N=0，Seiberg-Witten的结果并不能立即用来解决现实的理论问题.在Seiberg-Witten考虑的理论中，磁单极子起着非常重要的作用.磁单极子最早是由英国物理学家狄拉克在30年代初期从理论上讨论的，后来在70年代中期由于出现在大统一模型和其他模型中又激起了人们极大的兴趣.由于实验上一直没有找到磁单极子，一般认为磁单极子是很重的.在N=2超对称规范理论中，磁单极子的性质非常奇怪：随着理论中参数的变化，相互作用的强度越来越大，磁单极子将转变为质量为零的粒子.Seiberg-Witten证明了理论实际上有另外一种等价的对偶描述，在对偶描述下，电与磁是原来理论中的磁与电，两者是互换了的，电子与磁单极子是互换的，强的相互作用与弱的相互作用也是互换的.因此，可以利用这种对偶变换将强的相互作用问题化为弱的相互作用问题，然后用微扰论求近似解的方法解决.在对偶理论中，夸克禁闭的现象实际上就是通常的超导现象，这时两个磁单极子结合成一对给出有质量的规范场形成能隙，在原有理论中这就导致了电通量禁闭，电通量是由带电夸克给出的，电通量的禁闭就是夸克禁闭.由于磁单极子结合成对是由一破缺N=2到N=1超对称质量项给出的，以上结果实际上证明了N=1超对称理论是有夸克禁闭的.利用Seiberg-Witten理论，可以严格求解和定性讨论一大批N=1和N=2超对称规范理论，毫无疑问，这些结果和方法将会部分地应用于通常的非超对称理论如标准模型.在数学上，利用Seiberg-Witten的结果，已经成功地发展了一套强有力的研究四维流形微分拓扑性质的极有效的新方法.此外关于对偶性的研究又触发了人们对超弦理论的新认识，这些突破被许多著名物理学家猜测将引起本世纪自相对论和量子力学以来的又一次物理学的重要革命.

在量子论中，把electricfield的Maxwell^，sequation量子化后，发展成为quantumelectrodynamics，简称QED；它是以Maxwell^，sequation和Dirac^，sequation为基础，研究电子、正电子和光子之间的相互作用的量子理论.QED的基本观点是：传递电磁作用的是一种叫做光子的玻色子，自旋为1，静质量为0；可以将电磁力解释为光子的交换.到目前为止，QED对各种物理过程的理论计算，都和实验结果高精度地符合，表明它有正确反映客观规律性的一面.

量子色动力学是称为夸克和胶子的学问.从应用上来说，首先要分清量子色荷云的两种情况：一是能掌握大型强子对撞机做量子色动力学实验的人，他们可以直接进入内源性量子色荷云研究.二是不能掌握大型强子对撞机做量子色动力学实验的人，但又希望从自然全息的角度，解读一些在量子电动力学以下层次不能解读的实验现象和自然现象时；或者他们认为在量子电动力学以下层次解读，还可能不完善时，再用外源性量子色荷云来探讨，也许能提供一些启示或参考.但具体是不是，仍需进入大型强子对撞机的内源性量子色荷云的实验.

外源性量子色荷云的探讨，也可类比迈斯纳效应.1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现，磁场不能渗透到超导体内部，而只限于其很薄表层.这打破了超导体可以让电流毫无阻力地流过的第一特性的地位.因为按迈斯纳效应，如果把一个具有超导性质的物体放在外磁场中，物体必然会由于某种特性将磁场排开，因此物体内没有净磁场，物体只能通过自身产生一个大小相等方向相反的磁场来确保这种抵消.但磁场产生于电流，因此为了产生使体内磁场抵消为零的磁场，超导体必须能够支持电流无限期地存在下去.超导体存在的这种反屏蔽现象，对量子色动力学实验，如维尔切克和李政道等对夸克禁闭的渐进自由和色动反屏蔽解释，都受到迈斯纳效应的启发.

维尔切克说，迈斯纳效应不仅能应用于真实的磁场，而且还可以应用到那些出现量子涨落的地方.超导体抵消涨落磁场方面的虚光子，使得实际光子在超导体内很难生存.要形成具有自我更新能力的场涨落，就需要更多的能量，光子表现为非零质量，即光子是重的.而且电场力和磁场力的电荷源和虚光子之间相互作用，粒子A影响着它周围的场涨落，后者又影响到另一个粒子B，这就是关于A和B之间为什么会出现费曼图的最基本的图像.这实际提供了类似量子色荷云流之间的作用原理.

根据高能电子-核子深度非弹性散射实验，电子对核子的深度非弹性散射所描述的高能碰撞现象的强子结构模型显示，在核子内部电荷的分布，不是连续分布而是集中在一些点上.从电荷结构来看，核子内部存在一些带电的点粒子.1969年费曼提出部分子模型，认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中，可以近似作为相互独立的粒子.部分子模型是从实验事实出发而提出的理论，在解释高能碰撞现象中取得了一系列成功，同时也通过与实验的对比分析表明，在电子深度非弹性散射中，探测到的带电部分子具有1/2自旋，实际上就是夸克或反夸克.这就成为夸克-部分子模型.这个模型认为，由于强子是由夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：

一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质；

一类称为海夸克，它们的数目和味是不确定的，但其总和的味性质和真空相同；

一类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传递色相互作用的作用.

这个模型认为，决定强子内部结构的动力学机制是量子色动力学，并充分利用部分子模型中发展的方法来进行处理：既然在强子内部存在胶子，胶子就可以转化为夸克-反夸克对.夸克-反夸克对又可以湮没为胶子.所以，在强子内部也还存在数目未知，然而是确定的夸克-反夸克对.这些夸克称为海夸克，或微夸克.

1.国际上，夸克在1963年就被提出.夸克有三种“颜色”的区别，1964年就已经提出.这些都得到国际科学界的公认，但快半个世纪了，量子色动力学并未在我国普及.在中国科学院如周天龙等一些老科学家中，至今也还有不承认夸克的存在的.

在量子色动力学和大统一理论中，量子色荷或广义荷是利用对称群和超对称群的专用数学来论述的.这类似随着对称性的增加，不同类型的荷之间的转变有更多的可能性，有更多种类似胶子/光子r/W、Z等的规范子來实施：SO(10)→SU(3)xSU(2)xU(1)→SU(3)xU(1)，这些变换和这种缩并，可以解释（强x弱x超荷）的基本对称性，向具有长程结果（强x电磁）的转变.而荷账本也可以将夸克变成轻子或反夸克，质子变成正电子和光子的衰变.虽然这种事情，现实中很少发生，且衰变速率高，也是大麻烦.但利用物质有多色彩、多层级的性质，也能抑制不需要的进程，同时保持基本的统一对称性.这里，是把对称性和群论联系起来，对称性和群论也把自旋和堆垒圈态三旋联系了起来.道理是，以不对称三角形和等边三角形的转动来演示群论，群论类似分数自旋.即等边三角形围绕中心转过120度，不会改变位形.而移动不对称三角形，就会改变它的位形.这里，等边三角形具有非平凡的对称性，它允许区分没有任何差别的、具有深刻的群论思想和自旋规范思想.

因为杨振宁院士把等边三角形的非平凡的对称性，扩张到球面的非平凡的对称性上，球面围绕水平的垂直线向上的轴的自旋，与球面围绕水平的垂直线向下的轴的自旋，其自转360度一周，处于不同位置的所有自旋态排列情形的集合，有变的和不变的.这里的各种自旋态位形的堆垒，是杨振宁院士创立规范场论广义荷的基本思路，也是量子色动力学模仿的先导.

因为如果等边三角形具有更复杂的对称性，即等边三角形是具有不同边的三角形，如分别是红、蓝、绿的具有不同“颜色”边的等边三角形，经过120度转动变化，就有变化；但整套3个作为集合，则仍变换到本身，这就是正统量子色动力学创立的思路.这种思路有一个缺陷，就是“颜色”是虚设的，并没有物理学意义.三旋量子色动力学是沿着杨振宁院士的规范场论广义荷的道路前进，把杨振宁院士的球面的非平凡的对称性自旋，扩张为环面的非平凡的对称性自旋，即三旋，再代换到正统的量子色动力学中，“颜色”就不是虚设的，而有了明确的物理学意义.

2.从量子球面自旋到量子圈态自旋与量子色荷的联系，对非常不同的强作用、弱作用、电磁作用和引力作用等之间，存在惊人的相似性，提示了各自不同的对称性，可能是更大对称性下的次级对称性.额外的对称性，容许方程以更多的方式转动回自身.如果基本方程能够通过增设取得的更大对称性局部模式，获得量子色动能，或者弱力能源，这就能联系到细胞凋亡学说和基因学说之间对应的区别和相似，因为这类似对应衰变反应的量子色动能工程和类似裂变、聚变反应的原子弹、氢弹工程之间的区别和相似.其次，原子弹、氢弹的裂变、聚变反应，具有强烈的核辐射污染.但辐射任何东西都有，两者相比取其轻.如此联系凋亡和死亡之间的区别和相似，是微妙的.衰变反应和裂变、聚变反应之间的区别和相似，也是微妙的.量子色动力学涉及真空的无中生有，或量子起伏，或量子涨落.由于在量子电动力学实验中，以上真空极化的影响不论从定性还是定量上都很小，就近乎碎片和喷注是一种确定性的量子以太论.但在量子色动力学实验中，碎片和喷注，是不确定性和非决定论的量子以太论，它不是简单的确定性或决定论能容纳的.这里，量子色动力学实验有软辐射和硬辐射之分.软辐射，其中电子和正电子湮没成一个虚光子，然后这个虚光子又生成夸克-反夸克对，其扰动小.但因硬辐射会引起大量的软辐射，并造成三喷注、四喷注.所以量子电动力学的对称性原理的一些要求，仅是在缺乏相反的实验证据下的一种假设.例如1998年费米实验室的硬辐射实验，就得到令人吃惊的结果：反下夸克的数量大大超过了反上夸克.即不存在一种对称性原理要求质子的反上夸克分布同它的反上夸克的分布相同.质子的内部聚集着大量的软夸克和软胶子，价夸克沉浸在不断变化的低能胶子、夸克和反夸克的“海”中.夸克海，不对称且充满了胶.因此真空的以太凝聚爆炸方程，或喷注方程是：（无）=夸克+反夸克+能量，这里的夸克和反夸克各是6种价味，每种价味又各是3种颜色.

在E·H·Wichmann所著《伯克利物理学教程》第四卷中写道：“我们达到了一个极限：把电子看成是由其它更基本的粒子所组成，就显得不合情理和无用了.”该书又写道：“今天没有人企图根据物质是无限可分的前提来创立一个全面的物质理论，这样一种企图将是无益的.”目前认为夸克和一些轻子是组成自然界所有物质的不可再分割的“基本粒子”.近代发展的物理学基础理论都是以这种观点为基础的.

汤川秀树认为：“基本粒子的本性不能和空间本身的结构孤立起来加以考虑.在1960年某日，终于将我的苦心思索结晶为基元域的概念：如果任何形式的能量开始和真空发生联系了，那么，按照这种联系方式的不同，我们就可以把它看成一种物质和粒子式的表现，甚至看成一个基本粒子.如果我们想象这个区域变得无限地小，那么，在极限情况下，它就将和一个点粒子相当，从而我们的理论表述就会和从前一样地遇到困难.因此，我们就给这个区域的尺寸规定一个下限，即一个对应于最小时空量子的极限，这就是一个不能再进一步有意义地细分的区域.我们可以把它叫做基元域.在某些年轻一代的物理学家看来，理论物理学被归结为用抽象群数来补充的复变量复值涵数的数学了.这种片面的抽象化趋势缺乏某种对于创造性思维来说是很重要的东西.最近二、三十年中，没有出现物理学家的思维方面的真正革命.换句话说，在1905年建立起来的狭义相对论，以及在二十年代建立起来的量子力学，它们的基本概念都没有在本质上发生变化，而只是抽象进步了.如果我们更加注意直觉式大胆的想象来作为不可避免的抽象化趋势的一种补充，基础物理学的又一次返老返童是可以期望的.我坚信用某种方法可以合理地把握住基本粒子的结构，而且，当然我正在为寻找可能的答案而费脑筋.我相信，这样的一天会到来.那时，我们将知道基本粒子的内心，即使这一切不会像庄子知道鱼的内心那样简单，但为了作到这一点，我们也许必须采取冲破现有知识框框的奇妙的思维方法.……在古代印度有将时间本身也作为“不知道它是什么实体”来考虑的倾向.并且，还同样地认为，时间也存在有不可分割的最小单位，将它称之为“刹那”.将这种“刹那”用今天的时间单位来度量的话，大约为十分之一秒……关于基本粒子理论今后进一步的发展，说不定会是古印度物质观的思想经过某种形式的复活吧.把印度的极微观与古希腊的原子论观点相比较，不难看出，前者要较后者更为接近现代科学的观点.”粒子物理的标准模型理论，它包含弱电统一规范理论和量子色动力学.这一理论成功地经受了大量实验的检验，但又面临着一些十分尖锐的挑战，有待进一步的检验和发展.电弱对称破缺机制、CP破坏产生的机制、夸克禁闭、费米子质量起源这样一些基本理论问题都尚未得到解决.美国物理学家L·斯莫林在认真梳理物理学发展史后，在《物理学的困惑》一书中总结道，“从18世纪80年代到20世纪70年代，我们关于物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步.但自20世纪70年代以来，我们对基本粒子物理学的认识还没有一个真正的突破.”

附录：1、本报莫斯科2月14日电（记者董映璧）一个由俄罗斯、比利时和德国科学家组成的国际科研小组，首次在实验中观察到了中子衰变的新方式———放射β（beta）衰变，即一个自由中子衰变成质子、电子、反中微子和光子.有关专家指出，该科研成果对粒子物理的研究有重要意义.

中子是基本粒子的一种，是原子核的组成部分.1932年，英国物理学家乍得威克首次发现了中子.中子具有与质子大约相同的质量，属于重子类，由两个底夸克和一个顶夸克构成.绝大多数的原子核都由中子和质子组成（仅有一种氢原子的同位素例外，它由一个质子构成）.在原子核外，中子性质不稳定，半衰期为15分钟.基本粒子学理论认为，所有与带电粒子碰撞的反应形式都应释放出光子.但由于光子的能量很小，技术上很难“捕获”.目前，通过实验观察到的中子衰变方式只有一种，即衰变成质子、电子和反中微子，而没有观察到释放出的光子.多年来，一个由俄罗斯、比利时和德国科学家组成的国际科研小组，一直致力于中子衰变方式的研究.最近，研究人员使用三度重合的低能粒子记录技术：同时记录电子、光子的飞行时间和质子获得的脉冲能量，首次在实验中发现了中子的一种新衰变方式———放射β衰变，即衰变成质子、电子、反中微子和光子.实验还发现，平均300分之一的自由中子能够释放光子.据悉，2002年该科研小组曾进行过类似的实验，但由于记录设备的灵敏度不够，未获得成功.之后，研究人员设法提高了低能粒子的实验记录精度，终于获得了成功.在未来的实验中，研究人员还有望将实验记录精度能提高10％，重复上述实验.

附录2：据《科技日报》2007年9月19日，“最新发现与创新”专栏报道，美国科学家新发现中子“庐山真面目”.结构如同三明治，正负电荷夹在其中.中子在内部中心和外部边缘各有一个负电荷，而在其间，像三明治一样，每一层有一个正电荷夹在其中，使中子呈电中性.华盛顿大学的物理学家杰拉尔德·米勒通过对美国和德国的加速器实验数据，进行分析得出中子内部有更复杂的电子结构，该分析发表在《物理评论快报》9月13日电子版上.

3、一直来，物理学所采用的质子的半径为0.8768飞米，误差+/-0.007飞米，然而，电子一直来被认为是“无大小的”粒子，直到现在，只有二种方法已经用来测量质子的半径.基于在一个质子和一个电子之间的交互作用的研究：在电子和质子之间的碰撞，或氢原子上（电子和质子构成）获得数据.在新的实验中，科学家使用μ介子取代氢原子中的电子.μ介子是一种带负电、质量为电子207倍的基本粒子，最新实验将精确度提高了10多倍，同样地他们没有考虑“μ介子的大小”，测量出来的数据是0.8418飞米，误差+/-0.0007飞米.

科学家的实验将精确度提高了10多倍，而测量出来的质子的半径比以前所采用的质子的半径要小4%，这使现在的物理学面临一个困难的问题：要么阐释光和物质相互作用的量子力学理论本身有问题，要么基于现有质子大小计算和使用的里德伯常量是错误的.另外，一个重要的科学家们所没有考虑到的问题，就是现在的物理学忽略了“电子的大小”和“μ介子的大小”.

据美国物理学家组织网7月8日（北京时间）报道，科学家在最新出版的《自然》（Nature）杂志指出，质子的半径比以前认为的要小4%.如果这个结论在未来进一步获得证实，那意味着，要么阐释光和物质相互作用的量子电动力学理论本身有问题，要么许多基于现有质子大小计算所使用的里德伯常量（原子物理学中的基本物理常量之一，为一经验常数）是错误的.不管是何种情况，都意味着我们需要重写基础物理理论.

一个由德国马克斯·普朗克研究所的伦道夫·波尔领导、有32名科学家参与的国际研究团队表示，他们的最新实验将精确度提高了10多倍，结果表明，质子半径要比以前认为的小4%.或许，用来计算质子大小的里德伯常量将失去价值，如果出现这种情况，其他基础的计算也都要重新修订.

英国国家物理实验所的杰夫·弗劳尔斯表示，如果该研究获得证实，其意义可能要远远大于耗资100多亿美元的欧洲粒子物理研究所正在进行的测试所谓“标准模型”的对撞，将会把粒子物理理论带入新的领域.

法国巴黎第六大学卡斯特勒·布罗塞尔实验室主任保罗·印第里卡托指出，现在很多理论学家准备重新进行演算，另外，还需要更多的实验来证实或者推翻新的结论.在接下来的两年内，该研究团队将使用同样的设备，使用含有μ介子的氦原子再进行一次实验.不管结果如何，都说明物理学还蒙着很多神秘的“面纱”，需要人们逐一揭开.作者：刘霞来源：科技日报

4.《自然》：特定情况下电子变重之谜破解——有助于探索重费米子特性和功能，研发新的高温超导物质

近日，美国和加拿大科学家通过频谱成像扫描隧道显微镜（SI-STM）获得了电子通过URu2Si2晶体时明显变得更“重”的首幅照片.科学家认为该研究有助于探索重费米子的特性和功能，以研发出新的高温超导物质.相关研究发表在最新出版的《自然》（Nature）杂志上.几十年来，物理学家们一直想弄清为什么电子在某些特定的情况下会比自然状态下重几百甚至几千倍.理解有关重费米子的这一现象将有助于设计出新的高温超导物质.美国布克海文国家实验室、加拿大麦马斯达大学和美国能源部下属的洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员联合对这个问题进行了研究.在该研究中，科学家的研究对象是由铀、钌和硅组成的物质URu2Si2.该物质由加拿大麦马斯达大学的格雷姆·卢克团队合成，当被冷却到零下256摄氏度（17开）时，该物质会发生相变.以前，科学家认为，在更低温度下出现相变是因为某种“隐藏的秩序”.但是，科学家不能辨别出：这种“隐藏的秩序”同电子集体表现得像波一样相关，还是同单个电子与铀原子之间的相互作用相关.研究人员使用频谱成像扫描隧道显微镜来观察电子经历相变时的“一举一动”，他们测量了此刻位于该物质表面的电子的波长和它们的能量，并由此计算出有效的电子质量.该研究的领导者、布克海文国家实验室的物理学家谢默斯·戴维斯表示，研究结果表明，这些电子非常非常“重”——或许因为它们速度被变慢从而表现得非常重.研究人员解释道，我们可以用足球比赛来理解这种现象.开球后，一对足球运动员在球场上奔跑，如果每个运动员能够毫无障碍地自由奔跑，整个团队就像一堆毫无关联的“电子”形成的波.但是，如果球场上摆满了一排一排的椅子，并且每个运动员在每次遇到一个椅子之后，都必须停留一会儿才能够继续在球场奔跑.在这种情况下，椅子就类似于铀原子，选手和椅子之间（电子和铀原子之间）的相互作用显然降低了原子的奔跑速度.尽管遇到每一个铀原子时，电子减速仅仅持续一瞬间，但是，因为动能和质量有关，减速会使得电子显得比自由的电子的质量要大很多.新研究除了揭示相互作用是铀化合物中“隐藏的秩序”形成的原因外，还证明了SI-STM技术能够被用于“看见”重电子，这也给研究人员提供了一种思路，他们可以研发出更多的方式来“看见”这些现象.该研究团队正在使用新方法来研究许多相关的化合物，以更好地理解重费米子系统.