Wednesday, August 13, 2014

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輕子- 普物專題基本粒子 - Google Sites

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因為沒有任何比電子更輕的帶電粒子可容電子衰變,所以電子幾乎是絕對穩定的。 微中子的衰變不曾看到。 上一組(屏蔽效應) / 回普通物理(一) / 下一組(四大基本作用 ...
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    Apr 12, 2006 - 因為沒有任何比電子更輕的帶電粒子可容電子衰變,所以電

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    。“截面”是物理学中用来表示原子核与原子核之间发生反应的概率的一个物理量
     



    Wednesday, February 6, 2013


    因為沒有任何比電子更輕的帶電粒子可容電子衰變,所以電子幾乎是絕對穩定的

    因為沒有任何比電子更輕的帶電粒子可容電子衰變,所以電子幾乎是絕對穩定的

    #發行日期:1988、7
    #期號:0223
    #專欄:
    #標題:基本粒子、交亙作用及統一理論
    #作者:何昌明 譯
    色彩
    表一:組成自然界的十二種基本粒子。
    目前頂夸克只是理論預測應該存在,卻仍未實際看到。其中粒子質量以m=E/C2Mev是百萬電子伏特。
    表二:現在所知的四種自然界交互作用和其在規範理論中的傳播粒子。
    表三:電弱理論和強作用之QCD理論中,輕子和夸克不能互相變換,分別以W玻色子和膠子在族系中轉換(左);統一理論則認為輕子和夸克間可以交換X或Y粒子相互轉換(右)。
    圖一:由於電子-正子碰撞,彼此互相湮滅;只要入射粒子能量夠高,即可產生夸克-反夸克對。在實驗室看到的現象(左),實線表示偵測到的帶電粒子,虛線則是中性粒子。右圖則是此碰撞的費因曼圖解。
    圖二:此圖表示Ψ粒子(由c夸克和其反夸克組成)及Υ粒子(由b夸克和其反夸克組成)之間不同的質量譜;此質譜和原子的光譜極其相似,因此幾乎可認出ΨΥ粒子是由更小的物質所組成。
    最近美國的學者更提出可能有第五種作用力,但不能確定。表中GeV表十億電子伏特。
    圖三:此電子-正子碰撞和圖一相似。但此圖其中的一個夸克放出了膠子,並且立刻分離,而導致產生了一大堆粒子。此圖顯示夸克和膠子的「漸近自由」情況。右圖是費因曼圖解。
    圖四:統一理論認為,自然界的基本交互作用中的強、弱、電磁作用,將在某種能量時集中而成為一種作用。而由強作用和弱作用隨能量加大而減小,及電磁作用則加大的情形看來,的確約在1015GeV(相當於10-29公分)處合而為一。此圖的縱坐標代表作用力大小之倒數。
    圖五:統一理論預測的質子衰變。此乃其中的一種衰變型式(即Pe++π°),其衰變產物最後皆以光子型式放出,質子於是完全衰變成輻射態,但尚未偵測到此情形。

     
    基本粒子、交亙作用
    及統一理論

    【摘要】物理學家認為,他們已相當有系統地了解物質基本的結構和支配它們的作用;縱使還包含著幾個分立的理論,但可能很快會統一成為單一的理論。
    我們所觀察到的宇宙現象,基本上似乎在複雜中存在著簡單性,這樣的想法使得物理有了長足的發展。隨著歷史的演進,以前被認為是基本的粒子和作用力,不斷修正並且更仔細考慮存在於「小宇宙」中的「小宇宙」結構。但無論如何,過去二十年來的實驗分析和理論的探索,使粒子物理得到了新的系統性的了解。
    由於加速器能量的提高,探索粒子使實驗可達到10-16公分左右(大約是一個質子直徑的千分之一)的極致。原先認為的「基本」粒子顯示尚有更微小的成分,而且這些更微小成分間的幾種作用力也顯出了基本的相似。其中兩種力──電磁力及弱力(後者與原子核其他衰變有變)──的統一理論已經確定,而且目前正期望能解釋其中所包含另一固結原子核的強力。
    在粒子中,現在看來是不具內部結構、不可分割且不受強力作用的基本粒子稱為「輕子」(leptons)。它們有六種。其中三種叫:電子、緲子(μ)、陶子(τ);它們都帶-1電荷,但質量卻不同。三者之中電子最輕,陶子最重。另外三種分別是上述三種輕子對應的三種「微中子」(neutrinos),如其名所示為電中性,其中電微中子及緲微中子已知幾乎無質量。
    雖然輕子各有不同的質量,它們卻帶有相同的自旋角動量(1/2)。每一輕子都有其相對應的反輕子,包括有正子、反緲子及反陶子,它們都是帶正電荷;另外同樣地也有必為中性的反微中子存在。在輕子的交互作用裏看來,似乎維繫著族系關係,而每個族系(families)乃由一帶電輕子及其微中子組成。族系乃由輕子數以數學方式加以區分,當輕子衰變為其他輕子時,輕子數守恆的關係將維持了族系的命脈(見表一,註一)。因為沒有任何比電子更輕的帶電粒子可容電子衰變,所以電子幾乎是絕對穩定的(註二)。微中子的衰變不曾看到,因為微中子在各別的族系中是較輕的成員,他們的衰變將違反族系的維繫。目前尚有陶微中子尚未直接觀測到,但間接存在的證據已不少。
    在次核子粒子中受強力影響的粒子,即強子(hadrons),包括質子、中子和介子等,其他較不常見的強子只有在高能碰撞裏短暫出現。目前已發現數百種的強子,它們各有不同的質量、自旋、電荷和其他特性。
    強子並非基本粒子,因為它們內部尚有構造。在1964年,加州理工學院的葛爾曼(M.Gell-Mann)和歐洲原子核研究中心(CERN)的池懷格(G. Zweig),各自試圖以強子為合成粒子的假設來解釋強子的繁多種類。這更基本的結構,葛爾曼稱之為夸克(quarks)。在1960年代後期,史丹福線性加速器中心(SLAC)研究質子和中子之高能電子撞擊,而支持這假說。
    散射電子的能量與角度分布顯示,有某種點狀帶電的物體存在於質子或中子之中。粒子物理認為所有強子都是夸克的組合物,有五種已被確認的夸克以風味加以區別為:上(u)、下(d)、奇異(s)、魅(c)和底(b)。另外相信第六種夸克──頂(t)亦存在(見表一)。
    和輕子一樣,夸克也有左、右手旋態。夸克帶有分數的電荷,相應的反夸克則帶有等值異號的電荷值。始終未探測到分數的電荷值,因為夸克的組合物總電荷都是整數的。
    和輕子一樣,夸克經由弱作用改變種類或風味;如在其他衰變中,中子變成質子,中子中的一個下夸克轉變成上夸克,並且在過程中放射電子和反微中子。這一類的衰變型式亦暗示了有兩種夸克族系存在,一個由上和下夸克組成,而奇異夸克和魅夸克組成另一族系。又由夸克族系和輕子族系的類似,似乎暗示著有第三族系(即底夸克和未看到的頂夸克所組成),但是夸克的衰變顯然可以超越族系的藩籬。
    最不同於輕子的是,從未發現單獨存在的夸克,但夸克存在的間接證據卻不斷地增加。夸克模型成功處之一,在於它正確地預測了電子-正子之高能碰撞結果;因為它們互為正、反物質,所以彼此「湮滅」(annihilate),而以光子的型式釋放出能量(見圖一)。夸克模型舉出這光子的能量足以產生一對正、反夸克;由於動量守恆,夸克-反夸克對將以同樣的速度,相反的方向互相遠離,但它們的能量又將產生另外的夸克和反夸克,使得我們只看到它們所造成的兩道強子噴流(jets)。另外某些特定強子的質量譜也支持著夸克的存在(見圖二),因此物理學家不能不假設夸克的存在。
    到底是怎樣的規則支配著夸克來組成強子呢?介子中有一對正、反夸克;重子則包含了有三個夸克;強子中有其他夸克組合的情形似乎不曾發生。這些規則與下述的討論有些關係。
    要解釋所有觀察到的夸克組合,假定另一特性來區分夸克似乎是必要的。一種新種類的荷(charge),稱為「色彩」(colors),強作用就是經由色彩的作用。每種風味的夸克,可帶有紅、藍、綠三種色荷之一,反夸克則帶反色彩。規定強子是無色的,而造成無色的組合只有兩法:一是夸克與反夸克的色彩相消,另一是一紅、一藍與一綠三夸克相加成無色。
    色彩態不能孤立出現。在夸克間的強力必須是相當強的,強到能永久局束夸克於無色的強子之內。而在極短距離下,夸克卻有很大的獨立性,就是所謂的「漸近自由」(asymptotic freedom)。1973年,普林斯敦的葛洛斯(D.J.Gross)和維茨克(F.Wilczek)以及哈佛大學的普立茲(H. D. Politzer),描述夸克緊密地靠近時,它們之間的作用就減弱,但夸克仍然是拉不開的。我們也許可以想像強子像個囚禁夸克的泡泡,在泡泡中夸克可自由移動,但卻不能逃出。這泡泡當然只是夸克間作用動力學行為的一種比喻,對夸克局束的充分解釋尚需由其間的作用來探討。
    組成物質基本成分的六種輕子、六種夸克中,自然創造了十分複雜的結構與作用力,分別是電磁力、重力、弱力和強力。在巨觀的世界裏,我們可直接了解到力是改變速度的原因,但在基本粒子的領域中,量子力學和相對論取代了巨觀世界的牛頓力學,力的稱呼也改為「交互作用」(見表二)。
    在基本粒子的尺度中,只有重力尚未研究,因為重力對如此微小質量所產生的效應是可以忽略的。物理學家近年來一直試圖以數學描述──即規範(gauge)理論,來處理其他三種交互作用,並且已獲得了相當的成功。規範理論的中心即是對稱的概念;在數學的意義上,對稱產生於當一組方程式,雖改變所討論系統的特徵,卻不影響到原解時,因此就有所謂的整體性(global)對稱及區域性(local)對稱。
    現在我們認為,每種交互作用均是從一種自然界定律的不變性產生出來的。這用一個理想的橡膠圓盤來做比喻,也許較易明白其數學含義:假如這圓盤的外形比擬為自然原理,又這圓盤上一點的位移被視為一種局部對稱運算。當盤上各點各作位移時,圓盤仍要維持其外形,則這種位移伸張了圓盤而在點和點間導入了力。同樣地在規範理論中,交互作用即是局部對稱運算的必然結果,它們是要來維持對稱的。
    在基本粒子的範圍內所研究的三種交互作用,只有電磁作用是日常生活能體驗到的。但在次原子的階段裏,它卻呈現了不同的面貌。根據結合物質與能量關係的相對性量子理論,電磁作用乃是經由交換無質量的光子而傳導。而討論帶電粒子之間電磁作用的量子理論,就是所謂的量子電動力學(quantum electrodynamics,以下簡稱QED)。
    QED是一種規範理論,它要求電磁作用要有傳播粒子-(光子)存在,以維持帶電粒子的運動方程式的對稱。QED是物理中最成功的理論,它是利用1940年代由費因曼(R.P.Feynman)和其他學者所發展的計算方法。QED可作極精密的預測,它對電磁作用的描述亦已證明適用於10-18~108公尺的範圍。
    QED已成功解釋了有效電荷實際上隨著距離之增加而減弱。物體所帶的電荷有一定的量,當一個電荷為其他自由活動的電荷包圍時,它將會受影響。假如電子進入了一個有正、負電兩端的分子群中,分子將會被電子極化,電子抗拒負電端而吸附正電端,事實上電子就以正電荷屏蔽了本身,極化的結果減弱了電子的有效電荷。
    如此的屏蔽效應在真空中應該是不會發生的,因為真空中沒有分子可被極化。但由海森堡(W.Heisenberg)的測不準原理,真空並非完全空虛。依據這原理,在測量能量時,時間愈短,不準度就相對提高,所以粒子就可能在極短暫的瞬間違反能量的守恆定律。實際上,粒子是可以無中生有的!在QED中真空是一種極複雜而且激盪的狀態,其中充滿了成對的帶電「虛」(virtual)粒子,即電子和正子。短暫的真空起伏和分子一樣是可極化的,QED預測在真空中電荷也會被屏蔽,而越遠越弱。
    另外,帶色的夸克間的強交互作用,也隨著距離而變動,但有效色荷卻隨距離的增加而增強;只有在小於10-13公分的距離(約質子的直徑)下,強作用才減小至允許夸克互相獨立。對這種獨特現象的解釋,是一種仿效QED理論提出的量子色動力學(簡稱為QCD),也是一種規範理論。
    和QED一樣,QCD中必須有傳導作用的粒子;色夸克間以交換一種稱為膠子(gluons)的粒子,彼此作用,如同帶電粒子交換光子一樣。然而QCD中卻允許有八種膠子,膠子的放射和吸收將會改變夸克的色彩,因此每種膠子即代表了不同的色彩轉換。膠子本身亦帶色荷(包括色彩及反色彩),而帶色膠子和中性光子的不同,也說明了電磁作用與強作用極不同的行為。在QCD中,有兩種效應影響著有效色荷,其中一種是和QED相仿的類似屏蔽和另一新的現象──掩飾(camouflage)。 QCD的真空由成對的虛夸克和反虛夸克占據著;假如一個夸克給引入這真空,則帶相異色荷的虛粒子將包圍被引入的夸克,所以夸克就被色彩雲所屏蔽,這種情形和QED中的情況非常類似。
    然而在極化的真空中,夸克本身還不斷放出或吸收膠子,帶色彩的膠子可以傳播到遠處,使得夸克的色荷好像散布於空間,所以掩飾了原來是荷來源的夸克。空間中含此夸克愈小的區域,它所包含色荷的比率將減小,所以當帶其他色荷的夸克越來越接近原先的夸克時,感覺上好像色荷越來越少了。
    QCD的預測與所觀測到的夸克的古怪行為是相當一致的,亦即它們是永久受局束(註三),但又是漸近式自由的;強作用在大距離下是如此的強,於是導致了局束,但在距離極小時又減弱到足以令夸克自由。例如在電子-正子相撞中,互相湮滅產生正-反夸克對,因而導致的強子噴流現象,便是一種強作用現象。
    QCD預測假如碰撞能量夠高,夸克和反夸克對將以相反方向離開,但也可能產生三道強子噴流(並非兩道),因為夸克或反夸克可以輻射出膠子,其中膠子產生後,以第三個方向離去,它將產生許多強子,造成另一道清楚的噴流(見圖三)。但力的局束卻並非絕對,雖然強子是色彩中性的,它內部的夸克卻會受到鄰近強子中夸克的色彩影響,造成強子與強子間的作用力,但這作用和強子內的色力相比,卻是非常微弱的。
    另外,當強子被壓縮且加熱到極高溫時,也可能失去其本性,此時被比喻的強子泡泡,可能會放出它們的成分夸克及膠子。這種相混的物質狀態稱為夸克-膠子電漿,它極可能存在於正崩潰的超新星核心或中子星的內部,這又是一個非常有趣的研究課題。
    物理學家們一直都希望,能以簡單、統一的描述來表示自然的定律,因此有馬克士威(J.C.Maxwell)首先在十九世紀統一了電力和磁力,再來此一想法更產生了將電磁力和弱力合併的努力。早在1933年,費米(E.Fermi)就模仿QED而推出了描述弱力的數學形式。後來的研究似乎顯示了弱作用和電磁作用存有許多差異:弱力的作用距離(小於10-16公分)和電磁作用大不相同,而且它和作用粒子的左右手旋有極密切的關係(註四)。雖然存在著這些區別,物理學家們仍擴充了它們之間的相似點,於是提出弱交互作用和電磁作用一樣,是經由作用傳達粒子來達成的,它們是所謂的「居間玻色子」(intermediate bosons),亦即是W粒子。為了傳播電荷有改變的衰變,W玻色子必須帶有電荷,又因為作用傳導粒子的質量和它傳播的作用範圍成反比例,所以傳播電磁作用的光子是無質量的,而短程的弱作用就該有非常大質量的玻色子。
    由於物理學家發現了電磁力和弱力的一些關連,包括弱作用的傳播粒子是帶電的事實,引起一些人提出統一這兩種作用力的主張:這兩種作用只不過是一種基本現象的不同表示,即暗示著在極短的距離(亦是極高能)下,電磁作用和弱作用是毫無區別的。實驗上之所以發現弱作用如此微弱,只是因為能量不夠高。因此,兩作用外觀尺度的不同,只是因為W玻色子的質量,如此我們便可以估計玻色子的質量約為質子質量的一百倍。
    從統一的意念出發,到統一電磁作用和弱作用的完整理論,經過了約半世紀實驗和理論的洞察,而在任教於哈佛大學的葛拉秀(S.L. Glashow)和維恩堡(S. Weinberg)及任職於倫敦帝國科技學院的沙朗(A. Salam)三人的研究中達到了頂點,他們三位也因而贏得了1979年諾貝爾物理獎。像QED、QCD一樣,這種統合或稱為電弱(electroweak)作用的理論,也同樣是起源於對稱原理的規範理論。
    在電弱理論中的傳播粒子,除了光子和負責傳達弱作用中正、負電荷改變的W+、W-外,尚有一種負責傳播弱作用中的「中性流」過程的Z°粒子。中性流過程就像是微子與質子的彈性散射,是一種不改變電荷的弱作用。中性流是由電弱理論預測得之,而且在1973年由CERN首度看到。
    為了說明電磁作用和弱作用彼此有著緊密的關連,卻有不同的行為(指能量低的狀況),電弱理論認為,結合它們的對稱只有在高能狀況才明顯;能量低時,對稱是隱匿的。就好像鐵的磁性,當鐵是處在高溫時,鐵中無數微小磁鐵的分子呈現熱運動而且不規則的朝向,這時巨觀的磁性在各方向都是相同的,也就是反映了電磁定律具有旋轉的對稱。但當其冷卻到臨界溫度以下時,磁鐵分子將全歸向某一方向,所以基礎定律的對稱就給隱匿不見了。
    電弱作用的理論於是就需要另外有一種粒子叫希格斯玻色子(Higgs bosons),電弱對稱將因它的存在而受破壞;居間玻色子和光子在高能量狀況時都是一樣的,質量皆為零。但是在低能狀況下,居間玻色子的質量卻大到質子質量的一百倍;希格斯玻色子與它們的作用力即賦予其質量。希格斯玻色子亦被認為可說明為何夸克和輕子在同一族系時,卻有不同的質量:其實在極高能時,我們認為所有的輕子和夸克均是無質量的,在低能量時,輕子和夸克卻由於與希格斯粒子交互作用而得到不同的質量。希格斯玻色子可能擁有極大的質量。
    我們已發現W±和Z°粒子,它們是在能產生極高能量的質子-反質子正面碰撞中產生的。它們只存在約10-24秒,因此只能經由其衰變產物來偵測。這是在加速器發展與實驗技巧、理論推衍共同配合下的一項偉大成就,在CERN的盧比亞(C. Rubbia)和達瑞拉特(P. Darriulat)領導的國際組織合作下,於1983年確實偵測到W±和Z°粒子。盧比亞和另一位共同參與工作者范德米爾(S.van der Meer),因此得到了1984年諾貝爾物理獎。
    由於電弱理論的成功,而且我們尚有描述強作用的QCD,物理學家也就對更高層的統合極感興趣。有很多結果採用分立的強作用或電弱理論,並不能很完全解釋,其中有些看來必須更進一步的統一才行。這些深入的暗示包括輕子和夸克的明顯類似,在目前實驗的分解力之內,兩群粒子都被認為無內部構造,雖然夸克帶有輕子所沒有的色荷,但它們卻都參與電磁作用和弱作用,並且帶有半個單位的自旋。此外,電弱作用理論中即建議了一種夸克和輕子間的關係:若非輕子的三個族系能和相當的夸克族系連結,電弱理論在數學上就有矛盾。
    三種基本交互作用,現在都是以規範理論來描述,它們的數學結構類似。而三種作用的尺度在極小的距離下(亦即極高能時),很可能會發生集中在一點的現象,因為我們知道有效電荷在近範圍下增強,但有效色荷卻變得微弱。看來似乎真的所有作用,會在某個能量極高的狀況下合而為一。
    假如交互作用基本上是相同的,那輕子和夸克間的區別將因而消失。統一理論中最簡單的情形,乃是由哈佛大學的葛拉秀和喬吉(H. Georgi)在1974年提出,將輕子和夸克再次配對而形成了一個大族系;這種統一理論,在數學上的自圓性相當可觀(註五)。理論中,基本粒子上的電荷必須是以1/3的倍數分配,因此便能說明穩定物質的電中性。原子之所以為中性,只因為有三倍的夸克聚集於其原子核中,才導致核有恰好整數的電荷,而此電荷又與整數個電子的電荷恰好相反。
    在如此的統一理論中,只需要一種規範理論就可以描述物質的所有交互作用。在普通規範理論中,夸克可轉換成其他夸克,輕子亦可變成其他輕子,只要彼此交換膠子或居間玻色子。但統一理論卻提出夸克和輕子能互相轉換,可是如此的變換卻需要交換一種傳播粒子(即X或Y玻色子)而完成(見表三)。和其他理論一樣,統一理論所描述的作用尺度,也隨距離而變動;按照最簡單的統一理論,在約10-29公分的距離,分立的強作用和電弱作用將會聚集,而成為一個作用(見圖四)。統一理論的對稱是在極高的能量下才出現的,這就使得X或Y玻色子的質量會特別大。當能量降低時,由於對稱破壞,各個作用就逐漸分開,這便是我們今天所了解的三種作用。
    統一時的能量(約1024ev)遠大於加速器所能達到的,但理論上夸克和輕子是可彼此轉換的,暗示著許多由夸克所構成的物質將會衰變。譬如質子中的兩個u夸克互相接近到距離小於10-29公分時,可能會結合形成一個X玻色子,再崩潰成一個正子和一個反d夸克;然後這反d夸克將與質子所剩的另一夸克(即d夸克),結合成一中性π介子,而π介子又很快地蛻變成兩個光子。此過程中質子的大部分質量轉成了能量(見圖五)。
    所以若真有質子衰變現象,那將是統一理論的重要支持。統一理論亦使得我們對宇宙論有了新的了解,因為當今宇宙含有較多的物質,卻極少存有反物質,但是物質和反物質幾乎是完全相當的;所以為了解釋這現象就有了一種推測:宇宙初始是由等數量的物質和反物質構成,但假如重子的數目能改變,就如統一理論預測的,那現在的物質多於反物質就不能代表宇宙初始的情況了。宇宙初期的大霹靂(big bang),提供了極高能的狀況,因此極可能已發生改變重子數目的過程,而破壞了原有的平衡。另外,近年來的發展,更緊密結合了統一理論和宇宙論,促成了「新暴漲宇宙模型」(new inflationary universe)理論的誕生,更多的研究正在進行,以獲得更深入完整的理論。
    許多尋找質子衰變的實驗,正積極進行。大統一的能量範圍,暗示著質子的平均壽命是相當的長:約1030年或更久。因而為了能偵測到一個單獨的衰變現象,就需監測極大量的質子。其中最大規模的實驗是在美國克里夫蘭附近的岩鹽礦床下,用21公尺見方的純水水桶,水中有超過1033個質子。但在將近三年的偵測,卻沒有發現任何衰變的跡象,因此質子的生命期可能比統一理論預測的更長,或者是此理論根本就生命期遠大於上述統一理論預測的,或是衰變的方式是以目前的實驗方法所看不見的。
    物理學家現在就是希望能產生足夠多的W±和Z°粒子,以了解電弱理論更深入的細節,也希望造出能產生更高能量的加速器,來解決存在於標準模型(standard model)中的許多爭論。雖然標準模型並沒有自相矛盾的地方,但它卻無法解釋夸克和輕子的質量譜;雖然弱作用變遷通常會遵循族系的限制,卻偶而又超出了族系。而且又為何要有這三個族系呢?會有更多的夸克、輕子存在嗎?另外,由於歷史的前例,許多物理學家為了說明現在所謂「基本」粒子的繁多種類,又假設了更基本的粒子,即「次夸克」(subqcark)。
    還有兩個重要的問題似乎困擾著標準模型,那就是不論是分立的強、電弱作用或是統一理論,都未曾考慮重力作用。雖然近年來有許多研究重力的量子理論和所謂超對稱理論,但至今仍無確定的結果。還有就是電弱理論沒有精確指出,希格斯粒子如何與其他粒子作用和具有多大的質量。當代的物理學家霍京(S. Hawking)曾預言,大約在本世紀末,我們就能統一所有的交互作用力。這項靠勇氣、智慧的工作,是相當困難的,然而目前一切的發展卻給了我們極大的信心;粒子物理乃至天文物理這些極其相關的課目,仍需要更多有創見的物理學家,來共同探索它們之間的關連性,以期得到一個美麗、簡潔的結果;或許我們現正面臨著現代物理的大改革時期(註六)。
    註一:凡正輕子、輕子數為+1;反輕子即為-1。如緲子(μ)是不穩定的,在平均2.2微秒的生命期後,即經由弱作用衰變成一個電子和一個反電微中子(electron antineutrino)和一個緲微中子;各種輕子數在轉換過程不變。
    註二:1983年,CERN發現Z°粒子的實驗中,結果顯示Z°粒子的異常衰變現象。這種衰變結果(即Z°→e+ + e- +γ)和理論推測(Z°→e+ + e- )不同;而且出現機率極高,完全非標準模型所能解釋,於是便有人提議可能由於在衰變過程中,產生激態電子,所以電子可能仍有內部結構。
    註三:所謂夸克局束(quark confinement)的理論,猜想應該是量子色動力學的結果。但目前色動力學理論在低能量領域內的計算方法,仍未發展出來,因此不能了解得更清楚。
    註四:參與弱作用的費米子中,只有左旋粒子和右旋反粒子帶有弱荷,而右旋粒子和左旋反粒子是不參與弱作用的。
    註五:這裏說的統一理論,即是大一統理論(grand unified theory),其中最簡單者是取SU(5)的對稱群,它是包含SU(3)×SU(2)×U(1)的最小選擇;電弱理論的對稱群即是U(1)×SU(2);強作用則是以SU(3)描述。
    註六:霍京教授是當代以研究宇宙論,統合廣義相對論和量子力學而聞名,他是位奇蹟似的人物(詳情可參閱參考資料10)。他在1974年即以上述的統合,由理論探討發現了黑洞蒸發的現象,近年來更致力於量子化重力理論的研究。在天文物理和粒子物理的配合下,如何找出正確的結合,實在是非常不容易的工作,但卻是絕對必要的。
    參考資料
    1.郭中一 基本粒子與力的統一理論 科月十四卷十二期。
    2.顏晃徹 1979年諾貝爾物理獎得主及其理論 科月十卷十一期。
    3.顏晃徹 超對稱理論 科月十卷十一期。
    4.郭中一 遂古之初,誰傳道之? 科月十六卷一期。
    5.楊振寧 對稱與二十世紀的物理 科月十六卷二期。
    6.K.Huang, Quark、 Leptons & Gauge Fields, World Scientific Pub. Co., Singapore, 1982.
    7.H.Georgi, Lie Algebras in Particle Physics, Benjamin/Cumming Pub. Co., Massachusetts, 1982.
    8.L.B.Okun, Leptons and Quarks, North-Holland Pub. Co., NY, 1982.
    9.蘇懿賢 解釋「夸克局束」的袋子模型 科月十卷九期。
    10.J.Boslough, Stephen Hawking's Universe, William Morrow and Company, Inc., NY, 1985.
    (本文摘譯自C. Quigg, "Elementary barticles and forces", Scientific American, April, 1985)
    何昌明就讀於淡江大學物理系

     
        
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    ,当电子以极大能




    量深入到质子内部后,遇到的不是“软”的质


    子靶,而是和电子类似的点状“硬”核.它证实

     
    了美国盖尔曼在1964年预言的“夸克”


    http://chemlab.zstu.edu.cn/ddlx/upfiles/courseware/201032375823081.pdf


    第 卷第 期 高 速 摄 影 与 光 子 学 年 月  万
    · 句

    光子的 自旋与光波的偏振
    刘 力
    湖南师 范大学物 理系, 长沙,
    摘 要 从宏观 以及微观两 个方面对光子的 自旋 与光波的偏振态作了简要的说明 , 并从 原
    子 角动量的变化 规律说明 了角动量 与光子 自旋之 间的关系, 也 为进一 步研究光的本性提供了 一些观点。 关健词 自旋 偏振态 角动量 光 子
    前 言
    光子是中性的即没有相互作用的 以拍 玻色子 , 因而 无论多少 光子都可 以处于 同一状态。 正 因为如此, 我们就可以获得高度有序状态 而且几乎可以无限增强的激光束, 这正是现代高技术所不可缺少的工具之一。 当大 量光子处于相同状态或者说处于 相同的 电磁波态 时, 量子物理中描述光子的波函数与电磁场的 方程就是一 回事。单光 子的波函数描述的是在某处找到这一 光子的几率 , 而往往大量的光子处于同一状态 , 因 而 宏观的 方程也就正确地描述 了这一光子的行为 , 我们也就可 以在宏观 的水平 上 了解波 函数的性质 、 推断光子的正确状态 。 因此经典的 方程在近 代有关导 波光学 、 光学双稳态 、 光存储材料等学科的研究 中仍然应用 自如 。 但如今在高技术应用 领域中 , 除要求光频一致外 , 已愈来愈要求有稳定的 偏振态 , 因此希望在宏观 、 尤其是 在微观的水平上 , 对光束的偏振态有更多的了解与研究。
    单光子的 自旋角动量
    光波的偏振是大量光子集合的宏观概念 , 在经典的电磁场理论中对其已有完善的叙 述 。 作为基础的左 、 右旋圆偏振光束可以组合成线偏振、 椭圆偏振 、 部份偏振等光束, 它描述 了电磁场的电矢量的各种不同的振动方向与方式 。 由于光波具有动量 , 因而当分 析 电磁波的电矢量处于旋转状态 时 , 人们必定想 到左 、 右旋圆偏振光具有一定的角动氢 例如, 当一束圆偏振平面光波垂直入射在一吸收表面上时, 光束 将传递给吸收表面一个 与传播方向平行的角动量 , 即在这一 表面 产生一扭 力矩而可 以使其转动 , 角动量或扭力 矩的方向 由投射的圆偏振光的旋转方 向决定。 年美国的 就用实验证实 了 这一效应 , 目前在这类实验中, 检测转矩的 灵敏度已达到了 一, “ · , 可以计算出单 位面积上的扭力矩的大小 为 二 , 二
    本文钧 年玛 月 日收到
    卷高 速 摄 影 与 光 子 学
    式中 为光束强度 , 因一个光子携带的能量为 万 二 加 , 若一个光束单位截面积有 个光 子 , 则其单位面积上 的功率 为 加 , 则 , 充 由上式可知 , 每一个光子携带的角动量的大 小 为方 , 因 为 常数 , 因而光子角动 量的大小 为一 固定量 而与光子的能量 或频率无关 , 即 任何频率的 光子都具有相 同的角动 量 , 这种固有的物理现象称为光子的 自旋 , 充 即是光子 自旋角动量的唯一的量子化单位。 为何光子的 自旋值为一定量 电子绕原子核旋转的这一概念 , 必然引导出 角动量的概念与遵从角动量守恒的规律 , 而且角动量的大 小与取向的量子化也是微观世界的客观规律。 在描述原子结构的 四个主 ‘ 要量子数中。 除涉及 总能量的主量子数之外 , 其它三个量子数都与粒子的轨道旋转及其 本身的 自旋有关 , 在原子能态发生变化时 , 主量子数的取值范围不受限制, 其辐射或吸 收光子的频率的变化范围也就不受限制 。 原子的 角动量虽 可改变 妹 或 汽 , 但实际上光 子获得的角动量 只是一个单位的 方 , 因而在原子光谱中 , 凡是角动量为非方的变化的能 级跃迁是没有的 , 这一在实验 中观察 到并 总结出来的 规律可推广到任何辐射性跃迁 , 即 原子的角量子数 、 磁量子数 、 及 自旋 量子数 的变化 必遵从 称之为禁戒跃迁的如下 规律 △二 、 士 , 八, 二 、 士 , △ 二 。 凡是不遵守上述条件的两个能级 之间的任何辐射 跃迁都是被禁止 的 , 也就是说 , 在电子 能级跃迁 、 辐射或吸收光子所交换的角动量只 能 是一个单位的 方 值。 在多电子原子中 , 原子各电子角量子数之和 的奇偶性称之为能级的宇称 , 原子在发 射或吸收光子时 , 还 要遵从称之为宇称守恒的选择定则。 在物理学 中, 左 、 右对称是一 种分立对称 , 而旋转 对称是连续 的对称 , 而对称 这一概念在物理学中所起的作用是无法 估量的 , 如原子结构、 反粒子的推测与发现等, 对称是人们思考 问题的最基本的方法之 一 。 在经典力学 中, 连续对称一定导致守恒定律 , 空间旋转下的不变性的结果就是角动 量守恒 , 宏观条件下 的分立对称则不 能导 出什么守恒定律, 但对微观粒子而言, 在量子 力学 中左右分立对称与连续对称的差别消失 , 左右对称导致 了宇称守恒定律 。 在多电子原子中 , 依照原子各电子角量子数 之和的奇偶性而分 为两类宇称, 若 值之和 是偶数, 则原子具有偶宇称 , 偶宇称定义 为具有 的宇称 , 若 值之和为奇数 , 则称之为奇宇称 , 定义为具有一 的宇称 , 而光子的宇称定义为一 , 这些定义的原 由在于 对原子的角动量与发射或吸收光子本身的 自旋的左右反演和旋转的联合操作中总结出 来 的 。 宇称守恒的规则为 在发射或吸收一个光子的原子跃迁过程中 , 在计算宇称时要把 变化前后粒子的宇称乘起来, 使初态的宇 称等于终态 的总宇机 这样一来, 原子能级的 变化总是 由偶变奇或 由奇变偶, 即
    偶 ” 奇或奇 ‘ 偶为容许跃迁 奇 奇或偶 ‘ 偶为禁戒跃迁
    这一 由 总结出 来的经验规则 , 很快就 为 枷 证明是电磁力左 、右对 称性的结果 , 在物理学中硕果累累的宇称守恒定律, 也同样确立 了光子的 自旋 角动量只
    一二兰一一一一 一一‘望巡壁之燮塑燮 ‘ 一 ‘怒

    能 是一 个单位 的汽 值。 正 电子与 电子湮灭 时转化为光子的现象, 也对光子 自旋态的研究提供 了一个很好的 例证。 正 电子与电子翻淇 有 自旋, 当它们类似于氢原子相互围绕对方旋转 时, 要么两者 的 自旋相 反, 要么相 同。 如果 两种电子的 自旋同向 , 这样一种组 合态称为正电子偶素 , 相 反则称为仲 电子偶 素。 实验发现正 电子偶素存在的寿命比仲电子偶素长一百多倍 。 理 论 上的分析认 为这是 由于 仲电子偶素内的两种电子的 自旋相反, 因而其角动量为零, 而 正 电子偶素两种电子的 自旋方向相同 , 因而系统的总角动量为 电子 自旋角动 量值为 士会 个单位 , 因此前者在。时可以产生两个 自旋相反的光子而总角动量仍为零 , 而后‘ 者必需产生三个光子才能保持湮灭前 、 后的总角动量守恒为 , 在量子 电动力学 中可推 算出正电子偶素产生三个光子的衰变率要比仲电子偶素低一个 二 的因 子, 也就是 其寿命要长 倍 , 而这已为实验所证实 了的事实 , 在更高一层 次的高能物理研究中再 次证实了光子的两种 自旋态以及其角动量值为一个单位的方值。
    光子的 自旋与偏振光束的两种状态
    光子 自旋 仅意味着光子本身具有一定的角动量 , 而任何一个微观粒子具有的角动量 是它的 自旋 角动量与轨道 角动量之和 , 但 ‘ 若只 考虑沿着光的传播方向上的 总的角动量 , 则 此时的轨道 角动量为零 , 因此光子在传播方向上 总的角动量就是其 自身的 自旋 角动氢 光子是 自旋 为 的粒子 , 在量子物理中, 任何 自旋为 的微观粒 子在其运动方向上可 以 有三种态 , 即 三种投影 十 , 。 , 一 。 从 原子角动量的宇称变化 或选择 定则可 以看 出 光子没有为 。 的这一状态 , 这当然与 电子的两种 自旋态有关, 而且这也涉及到光是横波 以及没有静 止状态 , 静止质量 为零 的粒子不经过变换是不可能静 止下来的, 这种粒子只 可能在绕其运动方向上的轴旋转才不会改 变其动量状态 。 在气体激光器的 激光腔中 , 受激原子的角动量向 “ 上” 或向 “下” 绕 原子核旋转的 电子 , 或在正 、 反两个方向上旋转的 电子的数量 , 其统计值是各 占一半的 。 当一光子接 近一受激原子时 , 将感应其从 一量子态改变到另一量子态 , 在此期间其电子的几率分布 变成相干的 , 而且发生与入射光子相同的正弦振荡 , 其振荡频率 与 频率 。 , 一 一 万 有精确相等 , 因而辐射 出一全同光子 , 辐射光子的 自旋态 自然全 同于入射光子 , 而 入射光子也只 感生遵从选择定则及宇称守恒的受激原子 , 而这在来回反射 的激光腔中入 射光子将会照顾到具有正负角动量的所有受激原子 , 因此辐射光 子的 自旋态依感生原子 角动量的正 、 负方向而分为两类, 通常习 惯地作出如下规 则 凡光子 自旋 方向平行于光 束的传播方 向称之为右旋圆偏振光 , 而对于左旋圆偏振光 , 光子的 自旋方向则反向平行于 其传播方向。 因此 , 对宏观的偏振光而言 , 左 、 右旋圆偏振光是最基本的 了” 。 对 于由左、 右旋圆偏振光等量组 合而形成的线偏振光束中的一 个光子而言 , 是不能 确定其是左旋 或右旋的 , 只能说此光束中的光子是全同的, 而 此光束 中的光子处 于某一 自旋态的几率是各占二分之一 , 单色非偏振光束中的各光子也是全同的 , 因为我们不可 能分辨 出非偏振光束中单一光子的不同 自旋态 , 这些说法与实验事实是完全一 致的。 事
    ‘明 一 鱼 鱼鱼遭二趾色二遗二一一一一一止堕一 实上 , 任何非偏振光束都不会显示 出它 过去的组 合历史, 即它是 由两束正文的线偏振光、 圆偏振光 、 椭 圆偏振光或更复杂的光束形式非相千地组合而成的 。 当企 图真要做到测量出单一光子 是左旋还是右旋 的时候 , 量子力学 中的测不准原理 就要起作 用了 , 也可 以说测 不准 原理保护着量子 力学 , 在微观世界中 , 物理学已放弃了 去精确预 言在确定环境下会发生的事情, 而只 能预言可能性。 一种光子状态在相空间内所 占据的最小体积单元为 么仰二 △ 八八 , 么 △ 夕吞八 、 △ 称 为相体积元或相格 , 在同一相格内所有的光子是不 可区分的, 但 由于光子具有两 种完全独立的 自旋态 , 因此严格说来 , 对光子而言 , 一个相格之内, 全 同的光子对应于 两 种光子的 自旋态 , 这是微观世界 中的一种概率的说法 , 也确实是一种使人感兴趣的、 目 前尚只能如此说 的说法。
    虚光子及光子研究中的新进展
    不是运动电子而是相对静止的电荷之间 的作用力交换的是何种光子 在量子电动力学 中说明 产生电磁作用 力的光子有两类 , 第一类即实光子或叫横光子 、 磁光子 , 即我们在 前面讨论 的由运动电荷产生的具有确 定 自旋态的光子 , 这种光子只要不与其它粒子相互 作用 , 就会有无穷长的寿命 , 而且 由其产生的电荷之间的相互作 用力, 也因其无静止质 量而力程也是无穷大的。 另一类是虚光子 , 因为描述的是静止电荷之 间 电磁 场之 间的 相互作用 因而又称之为 光 子 , 虚光子是从不作 为真实粒子而单独存在 的 , 两个静止电子之间的 相互作用来 自虚光子的交换 , 当一个 电子发射一个虚 光子 时, 其反应式与实光子 的发射一样
    一, 虚光子 或光 子发 射前后 电子本身没有变化, 这个虚光子跑到第二个 电子那里被吸收, 第二个电子也发 射一个虚光子给 第一个电子 。 可以证明两个电子间虚光子的交换可 以给出与电子间距 离 成简单反比的相互作用关系 , 也就是通常的 势能“。 虚 光子的寿命是非常短的, 这可 以 由测不准 关系推算出来, 也正 由于电子间交换 虚光子的时间极短, 因而虚光子也 可 以具有质量 , 在现代高 能加速器中 已可 以产生三百亿电子伏  的虚光子 , 也 就是说其质量可 以比质子质量还要大三十倍 , 但 这只是在静电相互作用 中的推断, 而虚 光子从不会真实地存在。 理论上也认 为在真空中充满着虚光子 , 但 由于其是 电中性的 , 所 以对充满 真空 中的正 电子 以及正电子与电子的湮灭不起作用。 年 与 提出了一个有争议的实验 即一个完全屏蔽的磁 体的磁场 , 可以对经过其旁的运动电子发生作用 , 而近年来的实验证实 了这一现象, 即 称之为 。。 腼 效应 ‘ , “。 例如在电子双缝干涉实验中, 在缝后的缝间隔中平 行放置 一完全屏蔽的筒形磁体 , 在导磁或去磁时 , 屏幕上的千涉 条纹会发生位移 , 至今 仍不清楚在这效应 中 , 运动电子与完全屏蔽的磁体之间是如何交换光子的 , 而且交换的 是何种光子 。 在光的双缝干涉实验中 , 巧  曾说过 “每一个光子都部分地 进入两分束中的每一
    期 光子 的 自旋与 光波 的偏振
    束, 这样, 每个光子只同它 自己发生干涉 , 决不会发生不同的两个光子之间的千涉”。他 还说 “只 有光子部分地在一 光束, 部分地在另一光束时, 才能在两束光叠加起来时出现 干涉 ” , 这些使人看 了感到困惑的话 到 了现在又更增添 了一层 阴影 , 而到了现在已经实现 了由两台独立 的激光器发出的光束相交而显示 了干涉现象, 及 的 话还对吗 那么两 台激光器之间的光子是如何交换信息的 , 交换的是何种光子 “ 光子有 自旋 但却因其为中性粒子而无磁矩因此无法用外界的方法去改变其 自旋轴的 方向, 但 由于光子的 自旋轴的方向与传播方向一致, 因而使我们 想到若把一光纤绕成一 螺旋状 , 那么 在光的传播过程中 , 将会不断地改变光的 自旋态 , 即 自旋矢量在空 间的指 向 , 当一束线偏振光 在这样的光纤中传播时 , 由于其是光子的两 种 自旋 态的叠加 , 因而 其偏振方 向由两 种自旋态的相位确定 , 当这两种不同的 自旋态的相对相 位发生变化时, 那么就可 以通过光的偏振方向的转动 而直接探测到这一变化, 普 通的磁光效应、 电光效 应似乎都能做到这一点, 但对此也有不同的看法 而认 为是光子 自旋几 何相位变化的表 现 当量子力学更深 入一层地研究 电子绕核运动的相位变化而推 断其 自旋状态时 , 发现 矢量沿曲面上曲线的环路作平行移动时。 系统的某些变量不能回复到其初始值而 产生完 整性的破缺的几何现 象, 在描述粒子 自旋 , 即 一角动量 定态矢量绕核运动即 自旋矢量 沿 曲面运动时, 同样会 出现这种完整性破缺现象 , 这种完整性的破缺又称之为州可相位变 化的现象, 可以 用来测量转 动中的微观粒子。 一些研究人员认为 螺旋形光纤中光子的 自旋态的变化类似于完整性破缺 的运动 , 因而企图用这样的 光纤 测量出微观粒子运动的 几何相位 , 。
    结 束 语
    近年来, 高 技术的迅猛发展一方面开拓了单频偏振光对有机 、 无机物相 互作用的微 观效应的研 究, 并且使用改变微观粒子角动量的方传, 如各种磁 共振技术在化学 、 生物 学 、 医学通信以及物理学方面的应用取得 了惊人 的成绩 , 另一方面 , 高技术所带来的新 材料及高 灵敏测量与数据 、 图形大规模高速处理功 能, 对光子的 最高有序状态一一单光 子的 自旋—偏振态的研究亦将会更深入 一层 , 也正 如上节所述 , 也将对光子这种百年 以来无法使其再基本 的粒子的性质 , 作出更深入一 层的研究 。


    临近原子的最外层电子趋向于自旋磁矩一致的排列,这样在几千个原子的范围内产生了磁矩的有序排列,形成了磁畴

    科学松鼠会» 磁畴

    songshuhui.net/archives/tag/磁畴
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    www.phyedu.pku.edu.cn/.../huizong.xls
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    11, 配音材料, 00:01:48, 生物磁性2-龙虾的迁徙, 王稼军, 磁畴、磁性, magnetic ... 磁畴P3C4S5、磁性P3C2S1, EMmadovc04.wmv, 实验展示了大脑中的磁性晶体跟 ...
  • 生物体内的磁铁矿(Fe3O4)粒子 - 物理

    www.wuli.ac.cn/CN/abstract/abstract31189.shtml - 轉為繁體網頁
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  • 科学家首次绘制出3D磁畴图像- 豆丁网

    2013年8月6日 - 科学家首次绘制出3D磁畴图像磁畴,绘制,科学家,3D图像,磁畴图像,星盘绘制. ... 肠部和脾脏受损 等疾病,使它们皮肤,大脑,内脏和其他器 官老化.
  • 生物体内纳米磁性矿物质(Fe_3O_4)的磁畴结构研究 - 知网空间

    www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SCDX201102026.htm
    轉為繁體網頁
    由 钱霞 著作 - ‎2011 - ‎被引用 2 次 - ‎相關文章
    分别讨论了石鳖、趋磁细菌及蜜蜂体内纳米磁铁矿粒子的磁畴结构及磁矩分布,探讨 ... 磁铁矿物质,如趋磁细菌['〕、石鳖[,〕、蜜蜂[3〕、鸽子['j、甚至包括人类大脑闹等等.以上版本的瀏覽器

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