量子色动力学,或许是宇宙大统一理论的最后一块拼图!
前段时间,“夸克之父”盖尔曼去世,享年89岁。盖尔曼被誉为天才物理学家,14岁进入耶鲁大学,18岁获学士学位,年仅22岁就获得了麻省理工大学博士学位。26岁就成为了加州理工学院最年轻的终身教授。
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他 24 岁就发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数,40岁就因为提出了“质子和中子是由三个夸克组成的”获得了诺贝尔物理学奖,要知道,诺贝尔物理学奖获奖者平均55岁,他也被誉为被称为拥有“五个大脑”的天才科学家 。而他最为卓越的贡献就是完善了量子色动力学,补齐了宇宙大一统的最后一块拼图。
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盖尔曼获得诺贝尔奖
量子色动力学是描述组成强作用粒子(强子)的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用,可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用,被认为是有希望的强作用基本理论。
我们都知道,如果要想实现物理学乃至宇宙的大一统,就必须要将弱力、电磁力、引力和强力四大力相融合。
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爱因斯坦后半生花费了整整 30 年的时候来研究统一场论,想要实现宇宙的大一统,但是爱因斯坦活着的时候,宇宙四种基本相互作用就只发现了 2 种,分别是麦克斯韦将电力和磁力相统一的电磁力以及引力。
而弱力虽然是在 30 年代由费米理论提出,把弱相互作用看做是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用,不过当时对于弱相互作用的概念还十分模糊。
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直到 1954 年,杨振宁和米尔斯独辟蹊径,不再局限于统一引力与电磁力,而是想从弱相互作用和电磁力入手,他们在著名物理学家外尔的基础上,把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念,推广到不可对易的定域对称群,提出了杨·米尔斯理论。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质,从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。
在此基础上,杨振宁完善了规范场论,物理学界正式从爱因斯坦统一场的研究转变为规范场论,成为物理学的新趋势,规范场后来被很多人认为最有可能实现统一四大力。
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后来,李政道、杨振宁、吴健雄等证明了弱作用的宇称不守恒和CP不守恒之后,物理学家们考虑建立一个基于量子场论的弱相互作用理论。美国科学家格拉肖最早提出用规范场的方法,将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中,1968 年 温伯格、萨拉姆在格拉肖电弱统一模型的基础上建立了电弱统一的完善理论,他们理论在多次试验中得到证实,电弱统一理论已经是一个得到实验相当严格检验的科学理论。
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然而,这个时候,关于系统阐释宇宙四大力的强力的理论还迟迟没有被人们所发现。其实,人们对于强力的研究很早,最早研究的强力是核子(质子或中子)之间的核力,它是使核子结合成原子核的相互作用。
1935年汤川秀树提出了质子和中子通过交换一种未知的介子形成原子核内很强的束缚力(核力),这种力与交换无质量光子的电磁力不同,它是短程力,开创了研究强相互作用的历史。
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汤川秀树和爱因斯坦
而自1947年发现与核子作用的π介子以后,实验陆续发现了几百种有强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子。(所有受到强相互作用影响的粒子就叫强子)
同样是1947年,鲍威尔发现了参与强相互作用的介子,逐步完善地建立了核力的介子交换理论。
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后来关于介子更为详细的研究
前期的工作已经铺垫完成,到了 60 年代,关于电磁力的电磁场理论早已发展为量子电动力学、弱力有费米点作用理论。并且将弱力与电磁力的弱电统一理论已经成熟,这个时候关于系统阐释强力的理论也开始诞生。
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