基本粒子理論

基本粒子理論

關於基本粒子的結構、相互作用和運動轉化規律的理論。它的理論體系就是量子場論。按照量子場論的觀點,每一類型的粒子都由相應的量子場描述,粒子之間的相互作用就是這些量子場之間的耦合,而這種相互作用是由規範場量子傳遞的。

正文

層子(夸克)組成之強子(中子,質子)-結構圖層子(夸克)組成之強子(中子,質子)-結構圖
真空自發破缺的-希格斯場圖真空自發破缺的-希格斯場圖
弱電統一理論的-電弱統一場圖弱電統一理論的-電弱統一場圖

20世紀30年代以來,基本粒子理論在實驗的基礎上有了很大進展。在粒子結構方面,人們已經通過對稱性的研究深入到了一個層次,肯定了強子是由層子和反層子組成的,對真空特別是對真空自發破缺也有了新的認識。在相互作用方面,發展了可描述電磁相互作用的量子電動力學,發展了能統一描述弱相互作用和電磁相互作用的弱電統一理論,可用於描述強相互作用的量子色動力學。它們無一例外都是量子規範場理論,並且都在很大程度上與實驗一致,從而使人們對各種相互作用的規律性有了更深一層的了解。

基本粒子理論在本質上是一個發展中的理論,它在許多方面還不能令人滿意,其中有兩個具有哲學意義的理論問題尚待澄清,即:層次結構問題(見物質結構層次)和相互作用統一問題(見相互作用的統一理論)。在物質結構的原子層次上,可以把原子中的電子和原子核分割開來;在原子核層次上,也可以把組成原子核的質子和中子從原子核中分割出來。可是進入到"基本粒子"層次後,情況有了變化。這種變化在於強子雖然是由帶"色"的層子和反層子組成的,但卻不能把層子或反層子從強子中分割出來。這種現象被稱為"色"禁閉。於是,在"基本粒子"層次,物質可分的概念增添了新的內容。可分並不等於可分割,強子以層子和反層子作為組分,但卻不能從強子中分割出層子和反層子。"色"禁閉現象的原因至今還未能從理論上找到明確答案。80年代已知的層子、反層子已達36種,輕子、反輕子已達12種,再加上作為力的傳遞者的規範場粒子以及 Higgs粒子,總數已很多,這就使人們去構想這些粒子的結構。物理學家們對此已經給出許多理論模型,但各模型之間差別很大,近期內還很難由實驗驗證和判斷究竟哪個模型正確。

三色層子(夸克),與-輕子,反輕子圖三色層子(夸克),與-輕子,反輕子圖

在弱電統一理論獲得成功之後,人們又探求強作用和弱作用、電磁作用三者之間的統一,提出了各種大統一模型理論。這種理論預言質子也會衰變,其壽命約為1032±2 年。但還沒有得到實驗上的證實。在探索力的統一理論時不能不考慮引力。但引力和弱作用力、電磁作用力、強作用力有重要差別,因為它直接與空間、時間的測度有聯繫,它的傳遞者──引力子的自鏇不同於其他三種作用力的傳遞者,它的耦合常數有量綱~(質量)-2 ,從而會出現無窮多種發散,不能重整化。如果再考慮到A.愛因斯坦所提出的引力方程的非線性性質,就更增加了引力理論量子化、重整化的困難。初步的探討認為,引力場也是一種規範場,這就意味著引力和其他三種基本力在邏輯上最終會統一起來。但從問 題的深度上可以看到,有一些關鍵性的因素人們還沒有掌握。

三代層子(夸克)與三代輕子圖三代層子(夸克)與三代輕子圖
質子衰變-圖一質子衰變-圖一
質子衰變-圖二質子衰變-圖二

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