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强相互作用的困惑

已有 1300 次阅读 2024-7-8 16:39 |个人分类:我思故我在|系统分类:观点评述

    整个世界的物理学家似乎都在期待BJ.比约肯获得诺贝尔物理学奖。在上个世纪60年代,比约肯最先意识到,当用高能电子敲击核子的时候,应该会发生什么。他的“比约肯标度无关性”的预言,被深度非弹性散射实验所证实,彻底改变了整个物理学的走向。比约肯一直没有获得诺贝尔物理学奖,这是一个很奇怪的事情,不知道是什么原因。

    比约肯的发现,是一场真正的科学革命的典范。这一点,将会越来越被理解。这个世界有四种作用,引力是最先发现的,也是到今天无法彻底理解明白的,因为无法量子化。电磁作用是最先搞清楚的,然后是弱作用。强相互作用,比较奇特,所以关于它的理解,是一个真正的范式转移的过程。

    如果和地心说到日心说的转变做对比,因为这个过程我们已经非常清楚,这也是范式转移的经典案例。那么比约肯的工作,就相当于哥白尼的日心说。第一次,提出了一种转变。什么转变呢?关于引力和电磁作用,我们都很清楚,就是这个作用,两体物体的距离越近,作用越强,距离越强,作用越弱。在讨论基本作用的时候,这几乎就是天经地义的事情。

    两个物体之间的相互作用,距离越近越弱,这不是闹鬼么?

    但是现在看来,确实是闹鬼了。上个世界五十年代,随着高能加速器投入使用,发现了大量的新粒子,犹如鬼魅一般,让刚开始出现的粒子物理学家们感觉极其痛苦。

    在这个时候,盖尔曼横空出世,利用群论技术,咔咔的就把这些乱七八糟的粒子进行了分类。而这些分类的背后,在60年前,被茨威格和盖尔曼认为存在基本的组成。这个新理论,对于盖尔曼来说,就是一个数学的假说。对于茨威格来说,就是被各种嘲笑,导致他最终放弃了发表文章。(他的物理学史上最重要的文章之一投到了《物理评论》上,被直接拒绝了,因为他没有名气,得不到审稿专家的重视。盖尔曼也只敢把文章投到PLB上,担心被人嘲笑。)

    所以在很长时间,夸克是一个诡异的东西,被认为并不存在。比约肯似乎是在实验发现夸克方面,最先做出预知的人,也引导深度非弹性散射的实验得到了正确的结果。深度非弹性散射实验发现了夸克的存在,所以负责这个实验的三位科学家获得了诺贝尔物理学奖。但是,实验的结果让人困惑,因为深度非弹性散射实验,就好像是卢瑟福实验的翻版,电子好像打到了某些点状的物体上。

     这意味着,核子中的东西是有些孤立存在的,而这似乎和强相互作用的直观理解相反。(核子中的夸克是自由的,这是比约肯最先提出的,但是他似乎不是够坚决)因为原子核中的核子核子之间的相互作用就已经非常强了,如果核子还是由夸克构成的,那么这种作用只能更强大,整个核子虽然有大小,但是应该是一个坚硬的完整的小球。(后者就是经验的推理,但是事实不是)

     深度非弹性散射不支持这一点,虽然证实了夸克的存在,但是这种看起来自由的夸克让人无法理解。但是这也的确导致了一些科学家意识到,需要一种理论,粒子距离近的时候,作用弱,远的时候,作用强。完全和以前的经验不一致。

     所以说,这是一种科学的革命,因为我们看待世界的方式已经不一样了。这个世界可能永远都是那个样子的,但是科学家看待它的方式,是一直在变的,有的时候可能是一百八十度的大反转,完全不一样。

     强相互作用的基本理论是和其他理论不一样的。发现这个理论,也是科学史中非常有趣的事情,有的人从数学上得到了答案,但是没有和物理联系起来,有的人知道要做什么,但是不知道数学怎么算。直到1973年,基于SU(3)对称性的杨-米尔斯理论的发现,证实了该理论中具有渐进自由,建立了强相互作用的基本理论。

     强相互作用很独特,导致了许多奇特的现象,直到今天,很多方面依然不清楚。我们能够写出这个基本的哈密顿量,但是除了渐进自由的区域,我们都很难直接解出来。对于原子核来说,更是只能建构模型。当前的核力的理论,是通过手征对称性自发破缺给出的有效场理论。这里有一个现象,一直是最难以理解的,这就是色禁闭。很显然,所有的强作用的粒子,比如原子核,都是色禁闭的结果。但是实际的情况是,我们很少通过色禁闭来讨论问题。

    原子核中的核子很多的时候被看成是无色的,虽然每一个研究核力的都知道,核子核子之间的相互作用是剩余色作用,最终形成原子核是色禁闭的结果。但是似乎没有人来通过这个角度来讨论。核子的色禁闭是有人研究的,但是没有太多让人信服的结论。但是原子核中的色禁闭,我还没有找到相关的文献。

    随着原子核中低、中、高能的实验的不断推进,原子核中的色禁闭也终究会被我们认真对待。在强相互作用的研究中,比约肯扮演者哥白尼一样的角色,虽然他在科学史中的重要性已经被越来越意识到,但是依然希望他能获得今年的诺贝尔物理学奖。

   

   



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