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戴维格罗斯教授在杭州公演的讲稿主要内容,分享给大家

导读:本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的,但世界的确定性不是我们能把我的。

几乎所有的物质都是由原子构造的,利用原子的性质可以解释很多物质的性质 。但是当时仍有不少人怀疑,因为人们没有真正看到过原子 。其中的一个突破点,也就是今天我们在这里庆祝的爱因斯坦在 1905年所做的工作之一,即与光电效应的正确解释有关。

但是原子到底是什么样的呢?在 1897年,汤姆孙发现了物质里面有点状的带电的东西,即电子。电子是很小的,它应该存在于原子里面 。但它是带负电的,那么是什么物质与它的电荷平衡呢?

而且原子的质量比电子要大得多 。所以汤姆孙提出原子有一个果酱样背景,而电子镶嵌在果酱上的这么一个原子模型 。果酱提供了一个均匀背景,电子则镶在果酱里面。

在那个时期没有人真正了解原子 。在1912年,在英国工作的新西兰科学家卢瑟福利用高能的α粒子打靶实验揭开了原子的秘密 。他把α粒子打在金箔上,粒子会散射,不在原来的路线上运动,而有所偏离,这些散射的粒子会出现在荧光屏上 。

这个实验具体是他的学生盖革和马斯登做的 。他们用这个办法揭开了原子的秘密。实验就好比在一个黑暗的房子里面,可能会有很多的家具,若把球踢到房子里面,然后开始想象这个房子里面有些什么东西 。听一下这个声音,你能说出这个房间有什么东西吗?有金属物件。卢瑟福预期这种散射只有在很小的角度才发生,因为电子的质量跟原子相比是非常小的 。

使他很吃惊的是,有相当数目的粒子散射到比较大角度的方向,有一部分甚至是 180度的散射,就像皮球撞到墙上再弹回来一样。这个现象使他非常困惑,这相当于把直径 15英寸的炮弹打到一张很薄的纸上又弹回来了,这是个不可思议的现象 。

他又做了很多定量的研究,终于发现原子里面有一个大质量的东西,即原子核 。这就是物理学研究的规律。它不但要描述一个现象,解释这个现象,更重要的是发现本质的东西 。

他认为这是带电物体之间的相互作用,α粒子是带正电的,而靶是金原子核,它们之间发生了散射 。他对这个现象进行了计算,算出的结果和实验结果非常吻合,从而证明了原子大部分的质量集中在原子核里面,占整个的 99.9%.同时,他也发现在原子里面,所有的正电荷都集中在原子核内 。电子环绕原子核运动,他们之间的距离与原子核的大小相比大了十万倍。所以,原子的绝大部分实际上是空的 .你我都是由原子组成的,我们人体绝大部分是空的!

电子在原子中的运动就像是一个非常小的蚊子在很大的房间里飞舞 。因为电子围绕着原子核在转,而带电粒子在高速转动时会发生辐射,那么电子也会掉到原子核里面去?

在 1913年,玻尔基于爱因斯坦等的工作,构造了一个量子模型,解决了这个问题,并且可以解释元素周期表的一部分 。

量子理论经过大量理论与实验研究,得到很大的发展,已经成为现在科学技术的基础 。那么原子核里面到底有什么呢?这在当时是不能解释的,因为粒子能量不够,不能够打到原子核里面去 。

在1930年的时候,事情已经变得相当清楚,在原子核里面有两种力:一种是弱相互作用,还有一种是强相互作用 。比如碳-14会通过弱相互作用衰变成氮-14。

关于弱相互作用的机制,费米做了很出色的研究 。他的弱相互作用理论在长达40年的时间里都被认为是正确的 。但是原子核内还必须有另外一种力,它把质子和中子结合在一起,形成原子核。这应该是很强的相互作用,而且非常神秘 。

1935年汤川发现这个强相互作用力实际上是和交换光子的电磁相互作用机制非常类似 。为了解释核力的短距离,他认为传播核力的量子应该是一个质量很重的粒子 。如果传递强相互作用的粒子质量是电子质量的两百倍,那么它就只会在原子核内起作用 。

几年以后实验确实发现了π介子,对这个理论作了很大的推动。但是,如果认为这样对强相互作用就都了解了的话,那是完全错误的。

二次大战以后,因为物理学家可以建造很强大的炸弹,政府对物理学开始有很大的兴趣和投入 。其中有一个加速器就建在加利福尼亚大学里面。第一个加速器比较小,可以放在一个房间里面。

因为政府的推动,政府肯为这个项目花钱,现在造的加速器直径可达两个英里以上 。这种加速器可以把质子加速到接近光速,然后让它们之间发生碰撞,希望通过分析碰撞的过程,来揭开强相互作用的秘密 。

虽然这并不容易,但是这是我们能够用的唯一手段。即希望通过碰撞,了解质子的内部结构 。人们预期通过质子的碰撞,它内部的粒子会跑出来。如果这个相互作用比较简单的话,这样推理的过程应该是可以成立的,但是实际情况并不是这样 。

质子跟质子碰撞以后,产生的不是它内部更小的部分,而是产生更多的强相互作用粒子,即强子 。强子种类很多,而且他们都是平等的,可以互相转换。

这样,基本粒子的数目增加得很快很快,到后来就搞不清楚究竟哪些是最基本的 。在60年代早期,大家都认为很难真正研究清楚强相互作用 。甚至预言正确的强相互作用理论不会在一百年之内被发现。很多人都认为要真正弄清楚核力,了解强相互作用,需要革命性的理论 。对于我,作为一个年轻的研究生,感到非常的激动,非常的幸运。

在 60年代早期,物理学家盖尔曼发现强子的结构可以用更加基本的粒子解释。如果我们假定有三种不同的夸克,具有不同的电荷,不同的质量,而且强子是一个复合粒子,那么很多强子的结构都能得到很好的解释 。同时也可以比较容易的看出来,夸克需要有三种颜色,这三种颜色其实像某种符号,跟普通的颜色无关 。

夸克还有非常奇怪的性质,带分数电荷。若用质子跟质子对撞,即使达到比正常估算的能量大十倍,还是没有看到夸克。这与以前知道的过程很不一样。比如,原子跟原子碰撞会产生很多的电子出来,原子核跟原子核碰撞也会产生很多的强子,而质子跟质子碰撞出来的还是强子 。

从这个研究当中,我们似乎可以得出结论,夸克应该是虚构的,只是一个数学符号,我们不能太认真 。

如果回顾历史,刚开始研究原子核时,这个结构也是很复杂,自然界的秘密就藏在里面。强子的基本组份在实验上是看不到的。

不过我们现在可以下结论,强子里面确实有夸克,但是没有人看到,也许将来也不会有人看到 。描述夸克性质的颜色,也就是量子色动力学的基础,实际上也是看不到的。所以大家也不会感到奇怪,要搞清楚核子的结构需要六十年的努力。

一个重要转折点是 1968年,当时我还是一个研究生,在斯坦福大学有一个非常强大的加速器开始做实验 。刚开始的时候,人们也怀疑这里会有什么新发现。

但是历史有时会惊人的相似,实验发现有的时候入射电子会往回弹回来 。结论跟卢瑟福的推论是一样的,质子里面有点状的组分。而且这些点状的组分在质子里面几乎是自由运动的。

我自己也对这个事情非常感兴趣 。我跟同事一起做了如下一个工作,就是首先假定质子确实是由自由的、更基本的粒子构成的,我们理论上计算一下到底会发生什么现象。

实验的结果证实了我们的假定,即质子里面有点状的粒子。这个实验本身也得到1990年的诺贝尔奖,现在这个实验已被认为是发现夸克的一个重要的证据 。

自从1968年的实验,我自己已确信夸克不是一个数学符号,而是一种实在的粒子。但是问题还很复杂,因为夸克是很难被打出来的,从而可以推断夸克之间应该有很强的相互作用。

如果不是这样的话,是不是反过来说明我们的公式是错误的呢?关于这个问题的研究,困扰了我很多年。研究工作不是那么容易,所用理论工具是量子场论,因为它在量子电动力学里面已取得了极大的成功 。但是用它来处理强相互作用很不成功,很多人甚至认为这是一个错误的探索。

我当时就在研究夸克的量子场论。因为力是可以变化的,我们猜想夸克之间的力也许因为距离变小而发生变化 。但是在场论里面,因为真空极化的原因,距离变短的时候,力似乎应变得越来越大 。【真空极化:由于量子涨落效应,宇宙会随机产生虚弦对,而当周围有一巨大的力场时(比如黑洞),会拆散虚弦对,产生真实粒子。这便是真空极化效应。】

从量子场论的观点看,物理真空并不是完全一无所有,它其实有很多的正负电子对,会发生极化的现象 。这是因为量子力学里面的不确定关系,每当你想观察某个粒子的时候,总会干扰它 。

真空实际上是一种媒介,就像水、空气,它会影响电荷。在量子电动力学里面,媒介是一种电介质,会使得电荷看起来变大 。

如果把电荷放在介质里面,周围会有很多虚的粒子对产生,对于原来的正电荷会产生屏蔽的效应 。

在远处测量,电荷值会变得小一点 。如果是从电荷中心算起,越往外有效电荷越小。反之,越往中心有效电荷就越大。所以这种机制不能解释夸克之间的相互作用 。因为我们要求随粒子距离变小,它的有效荷变得更小 。所以,在1972年的时候,人们认为量子场论并不能解释强相互作用。

道理很简单,因为场论在量子电动力学里的结论,在距离变小的时候,电荷变得更大 。为了解释这个实验,我们要求:当距离变得很小的时候,理论能给出粒子间相互作用的强度趋于零 。当时存在的所有理论都不能解释这个现象 。

其中的例外是杨 -米尔斯理论。这个理论是对电磁相互作用的推广,它里面的荷不是一个,而有很多个 。在1972年,我跟我的学生一起,希望填补这最后一个漏洞。我们希望能计算杨-米尔斯理论的渐近性质 。1973年,我们得出一个计算结果,发现该理论的真空性质是反屏蔽的,这跟其他场论都不一样 。这完全出乎我的意料。原来量子场论并没有错,杨-米尔斯理论可以解释斯坦福的实验 。

杨-米尔斯理论包含夸克和胶子,后者就像电动力学里的光子,但是跟光子又不完全一样,它本身也是带荷的,可以发生自相互作用,可以影响真空性质 。

因为有自旋,你可以把胶子看作是一个永久的偶极子 。如果把色荷放到真空中,它会使偶极子重新排列,有效荷会变得更大 。如果在远处测量它的荷,你会发现它会变得更大.

反之,越往中心色荷会越小 。所以杨-米尔斯理论的真空是渐近自由的,因为反屏蔽效应超过了夸克电荷所引起的屏蔽效应 。所以夸克之间的相互作用是杨-米尔斯场来传递的,当夸克之间距离非常小的时候,其相互作用会变得非常小 。只有一种成功的关于夸克的动力学理论,而且我们知道这个理论是什么 ,它一定是杨-米尔斯理论。

理论的基本组分就是我们在实验中知道的,带三种颜色的夸克 。如果问荷是什么东西,颜色是一个很明显的选择。这就是我们在最初的文章中所提到的,要重视基于色三重态的杨 -米尔斯理论。这个理论被认为是重大突破。

有记者问,我们是不是做出了重大的发现,我告诉他们我们只不过是做了一个计算。这就是我们当时的感觉 。对科学的探索就像爬山一样,你知道翻过这个山,还会有别的山 。

现在我们的里程开始,我们开始爬山了。经过努力,我们最后爬到山顶,看到一个很漂亮的山谷 。我们从山上下来,看到还有很多人在往山谷里来。我们在享受这个山谷里面的新鲜水果,发现量子力学与量子场论原来是完全一致的。

我们这个工作解决了很多疑难,也部分解释了夸克禁闭这个现象。可以自然推论,夸克之间的力随着距离的增大,会增加的非常非常快,以至于夸克永远是束缚的 。

这样就可以解释,为什么看不到自由的夸克,也可以解释为什么没有看到量子色动力学的量子 -胶子。因为胶子本身也带颜色,所以我们看不到 。量子色动力学解决了困扰我多年的问题。大球是核子,夸克在里面几乎是自由运动的,相互作用非常弱 。但是,如果试图把两个夸克拉开一点距离的话,它们之间就会产生一个强的相互作用 .就像一根橡皮筋一样,你拉的越紧,它的力越大。

比较令人高兴的是,这个理论是可以计算的;物理学家就喜欢计算。在高能的时候,相互作用非常弱,这个理论变得比较简单 。我们做了大量的计算,直到今天人们还在计算.这些计算,使得我们对强相互作用的理解前进了一大步,很多的计算结果都可以进行实验验证 。

但是,当距离非常大的时候,这个问题仍然没有圆满解决 。这个时候,因为相互作用非常强,这个问题很难处理 。目前,有些计算可以精确到百分之几。实验验证也慢慢的多起来了。

这是到 1989年为止,对渐近自由现象的实验结果,看起来符合得还可以,但还没有充分说服力。直到 2004年的实验,理论和实验符合得非常好。到目前为止,量子色动力学的实验验证可以达到百分之几,而且可以验证的物理量也是非常多的。这就促使瑞典诺贝尔奖委员会考虑颁奖了 。因为瑞典人是比较保守的,只有理论和实验做得非常好的时候,他们才会考虑 。

利用量子色动力学及其渐近自由的性质,我们可以推断三喷注实验实际上起源于一个夸克,一个反夸克与一个胶子 。如果你跟实验物理学家去讨论的话,他会指着屏幕告诉你,这个是夸克,这个是胶子。所以我们实际上是可以看到夸克的,虽然我们不能够把单个夸克和反夸克打出来 .怎么理解上面的话呢?因为我们有可靠的理论基础,所以上面的解释实际上跟电子是类似的,毕竟我们也没有用肉眼看到过电子 。

我想最后强调一下,量子色动力学是一个几乎完美的理论。通常的理论都有一个极限,适用于非常小或是非常大的参数。对渐近自由的理论,距离越来越小,这个理论就越来越简单。

所以,很小距离区域不需要新物理 。另外量子色动力学几乎没有自由参数 。如果我们忽略夸克的质量,这是一个很好的近似,我们只有耦合常数一个参数,所有其他物理量都可以计算出来.比如,质子、中子的质量到底从哪里来的呢?

它们来自能量,因为能量跟质量是等价的,所以你身体的质量来自于夸克的能量。下面再讲两个例子 。宇宙在早期的时候,是非常非常热的,而且密度非常非常大。

在1973年以前,我们不知道宇宙早期到底是什么样子。因为温度非常高,粒子能量非常大,我们需要强相互作用理论来研究 。在某个时间点,因为温度很高、密度很大,质子本身会融化,夸克就会跑出来。换句话说,在大爆炸以后,有很多自由的夸克和胶子。在一千万分之一秒以后,宇宙变冷了,夸克就开始结合在一起 。

物理学家现在正在致力于制造夸克-胶子等离子体。他们用高能的重离子互相碰撞,产生高温高密度物质 。在很短的时间内,在碰撞的瞬间确应如此。

量子色动力学也促进了统一理论的研究。在量子色动力学刚建立起,人们就开始研究统一理论 。这是很自然的,因为电磁、弱、强这三种力都是由杨-米尔斯理论来描写的。

特别是强相互作用,我们可以看到相互作用强度和能量有关,所以可以猜想在某一能量点,温度非常高的时候,强相互作用和电磁相互作用应该差不多大。

强相互作用和弱相互作用的强度是随能量下降的,而电磁相互作用强度是增加的。可以预期在一个非常高的能量点,这三种力可能变得一样大。实际上在这个能量附近,引力也会变得非常大。这是一个很直观的推论,我们未来的研究热点可能就在这能区 。另外,这个现象是否也暗示着有新的对称性有待于我们去发现?

最后,我不但要感谢瑞典的诺贝尔奖委员会,还要感谢大自然为我们提供了如此丰富多彩的现象,而且能让我们揭开它的神秘面纱 。

以上就是演讲稿的全部内容。希望大家喜欢。

摘自独立学者灵遁者量子力学书籍《见微知著》

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