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 鼓捣大颗粒子编派小微粒子 |
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断章师爷
[个人文集]
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加入时间: 2009/08/25
文章: 615
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作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
鼓捣大颗粒子编派小微粒子
断章师爷
我在以前的文字中提到过，老同学郦君专治粒子物理，因为不齿杨老先生的为人，在很多场合下都将杨-米尔斯场理论唤作规范场理论。我常在电话里向他请教：“你们那个圈子里又有些什么新的粒子被‘发明’出来啦？”他自然知道我不是在嘲弄他，但还是遵循以往的规范，每次都先指出我使用的动词不够“规范”：“不是‘发明’出来的，而是‘发现’得到的!”然后，再开始他的话题。我是从来也没有弄清楚过这世界上究竟有多少种粒子？说实话，也实在不想弄清楚——因为它们的尺度实在太过微小，小到连最高倍的电子显微镜都观察不到!尽管我成天鼓捣的各种材质的原料也都是一颗颗的粒子，那尺度和质量与郦君们思考和研究的粒子就不可同日而语啦!想到我在实验室里用炉子烧结（或用反应器合成）制备的粗细不等的颗粒竟然是由郦君们坐在椅子上（或躺在床上）冥思苦想出来的粒子所组成的，就觉得有点滑稽 —— 行踪莫辨的幽灵居然可以组成有形有状的实体!
未曾想到的是干了三十来年应用物理的我对于粒子物理学的常识还不如一个初中毕业生知道的多。诸位不要以为我在说笑话，这是确确实实的真事!且听我细细表来。三年前我回上海探亲，无意中遇见小学同学王君。我们阔别有十多年了，他硬要请我吃饭，我一再推辞。像太极拳师切磋推手一般，你来我往了一番，我们各自后退半步，挽手同行去附近新开张的一家茶艺室里品茶。与相识数十年的老同学，坐在装饰得古色古香的雅座里，伴随悠扬古朴的琴声，徐徐品尝新采的春茶，确实是人生一乐。说起来，这位王君的生活道路相当坎坷。王君和我同乡，他家和我家同住一条弄堂。王君父亲是俞大维先生的同学，抗战后出任交通部上海两路管理局局长，大陆易帜前夕携带妻子儿女去了台湾。当时才3岁的王君因为祖母割舍不下，硬是留在了上海。尽管王君头脑聪敏，念书用功，小学毕业时和我一齐报考市重点的复兴中学。我如愿考上，他却名落孙山，进了一所质量极差的民办中学。初中毕业后，他缀学在家。在我接到大学录取通知时，他被里弄干部敲锣打鼓地送往新疆建设兵团。这一去就是20年。后来发生的事，就像廉价的电视剧情。王君的姐姐从美国回来寻弟，已经娶妻生子的王君因此回沪。人到中年的他被安排进一家被服厂当工人。被服厂不景气，王君辞职盘下了一家小店出售日常生活用品。他和老妻起早摸黑，薄利多销，使得这家夫妻老婆店的经营很有起色。不久王君就买了车，又置了房，小店也扩充规模，雇了近十个店员，还加盟某连锁超市。王君如今把店务移交给儿子，太太平平当起摔手老封翁了。品茶之际，他说从刚记事起，就听祖母不停地说起自己娘家的侄子（师爷按：著名的两弹一星元勋赵某某）在县中和清华念书时成绩都不如王君的父亲。所以王君从小的理想就是当一名赵某某那样的原子物理学家，遗憾的是他造原子弹的理想只落得成为一场春梦。饶是如此，王君始终关注这门尖端科学。他以为我从事的就是原子物理，于是兴致勃勃地聊起了基本粒子。他知道的是真多，什么第一代介子、中微子；第二代奇异粒子；第三代反粒子……，说来如数家珍，听得我不住点头，频频称是。王君聪敏，我从小知道。但是他有如此完备的粒子知识却是我无法想象的。到最后，他告诉我有一种叫快子的，其速度比光还快。此时我断然摇了摇头，用绝对权威的口吻对他说：“这是不可能的!”王君对我说：“你信也好，不信也好，确实有快子这一说法。”他订的《科技快讯》最近还有关于快子的专题介绍。我当然没有把这太当回事，因为我知道国内这类不负责任的科技杂志的创立如同雨后春笋，就同专登那些影星绯闻的软性刊物一样，注重的是吸引眼球，至于内容是否属实，就无人问津了。我本想告诉王君，所谓快子云云其实是从science fiction 中批发来的（师爷按：沪语中的批发含转抄的意思），自然这话我不好意思出口。王君大概看出了我眼中的怜悯神色，也就识趣地调了个话题。
嗣后回想起来，王君说的那个快子依稀仿佛中似乎也曾带过一眼，只是觉得过于荒唐未曾引起我的重视。一次在和郦君在电话中聊天时，我忽然想起王君说的快子，就随口问他是否有一种称为快子的粒子。电话那头的郦君说确实有一种粒子叫做快子的，我听后大吃一惊。我接着问他是否这种粒子的速度比光更加快。郦君回答说yes!我第二次大吃一惊。赶紧问他到底是怎么回事？是什么时候发生的新闻？郦君告诉我这是40年前的旧闻了，老早就是名副其实的断烂朝报了。这种粒子称为tachyon，其速度高于光速，其静止质量是虚数，当然罗迄今为止还只是一种假想的粒子。听了快子的静止质量是虚数，我第三次大吃一惊。物理学里面使用虚数是稀松平常之事。例如在电路分析中，引入电容、电感与频率等有关的虚部可以方便的将电压、电流的关系用简单的线性方程表示并求解。再如利用Fourier变换可将实信号表示成一系列周期函数的和。这些周期函数通常用复函数的实部表示。然而，那都是出于数学上的方便，如果不嫌烦的话，运用正弦、余弦等三角函数也完全可以解决问题。上面说的是经典物理学，至于在量子力学中，虚数的应用就不再是出于数学上的方便，而是具有实实在在的物理意义了。例如，最常用的波函数就是一个由实数与虚数之和构成的复数。但是与微观粒子在某处出现的概率密度相对应的波函数模的平方是复数函数与其共轭函数之积，所以仍然是一个实数。如今，这种速度比光速还快（？）的快子，其静止质量竟然是虚数!我实在难以理解。啃了将近半个世纪的物理课本，当然知道质量的意义，质量与能量是描述物质属性最基本的两个物理量。而这个最基本的物理量竟然是虚数，我是真有些弄不明白了。
郦君似乎也无意要解释的样子，他只是说到目前为止关于快子的一切都还只是一种假说而已。我追问郦君在他们那个圈子里究竟还有多少种这样假设出来的粒子？他说具体也说不清楚，总有不少吧！接着他随口报了一大堆名词，都是些什么子、什么子……。郦君说电话里面一下子说不清楚，如果我真有兴趣的话，他会把有关资料寄给我的。不久我收到了他寄来的Greene Brian 《Elementary particles》的电子版。看完后，对于粒子才有了比较初步的概念。尽管我已经不想再扮演教师爷的角色，品尝烧烤的滋味。但是我入“人之患”这一行已逾30载，所谓积习难改（或者有轻度烧烤受虐狂倾向），因此再误人子弟一回吧。但是所有的质疑，一概不予回答，敬烦另请本区高明。
先来说说粒子的分类吧。自从上世纪30年代发现中子、质子后，又发现了正电子；而到50年代，通过高能加速器又发现了大批新粒子，其数目超过了化学元素。一个重要的研究课题就是对粒子进行分类。在粒子物理的发展过程中，提出过不同的分类方案。
(1)按粒子的质量分类：
粒子物理发展的早期，发现粒子的性质和它们的质量有关，于是把粒子分为光子(质量为零)、轻子(质量较轻的粒子)、介子(质量介于轻子和重子之间的粒子)、重子(质量大于等于质子质量的粒子)。后来发现，表征粒子性质的物理量很多，质量只是其中之一，人们逐步放弃了这种分类方法，但所用的名称：轻子、介子、重子依然使用，只是物理意义已大大扩展。
(2)另一种分类方法是按粒子的寿命长短把粒子分为稳定粒子和不稳定粒子。粒子平均寿命的差距极大：光子是无穷大、电子是10的22次方年、……Z粒子则是10的负25次方秒。寿命最短的，则要算通过强相互作用衰变的“共振态粒子”只有10的负28次方秒数量级 。
(3)按粒子参与相互作用的类型来分。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。由于引力相互作用和前三种相比太弱，因此在粒子物理学中不考虑它。按粒子参与的相互作用类型，把粒子分为以下三类。
(i)轻子( Leptons)—— 主要参与弱作用
(ii)强子(Hadrons)—— 直接参与强作用
(iii)规范玻色子(gauge boson)—— 传递基本相互作用的媒介粒子
(iv)一个不属于规范玻色子的玻色子——希格斯玻色子 (Higgs boson)
然而，我觉得还是按粒子的组成分类比较清楚些。
(4) 按粒子的组成的类型来分。可以把粒子分为下面5类：
（i）基本粒子（Elementary particles ）
计有费米子（Fermions）以及各种波色子（Bosons）两类，前者包括各种夸克（Quarks）和轻子（Leptons）
（ii）复合粒子（Composite particles）
计有强子（Hadrons）和原子核、原子、奇异原子（Exotic atoms）……分子等，
强子包括重子（Baryons）、核子（Atomic nuclei） 、超子（Hyperons）、介子
（Mesons）……等
由于粒子加速器的发展，上述这二类粒子基本上都能用各种实验手段测定或捕捉到其踪迹。但是还有三类粒子则不然。
（iii）假想的基本粒子（Hypothetical elemetary particle）
计有超对称粒子（Superpartners）和大质量弱相互作用粒子。超对称粒子包括轴微子（Axino）、胶微子（Chargino）、光微子（Gaugino）……等。快子就是一种假想的基本粒子。据说很多假想的基本粒子可以在大型强子对撞机中被发现，目前自然还处于假想状态。
（iv）假想的复合粒子（Hypothetical composite）
计有奇异强子（Exotic hadrons）和介子分子（Mesonic molecule）等。奇异强
子包括奇异重子、奇异介子……等。
（v）准粒子（Quasiparticles）
包括声子（Phonon）、激子（Exciton）、极子（Polaron）……等。
接着说说粒子的理论。不少粒子都是先由理论预测，再经实验发现的。例如研究基本粒子的结构、相互作用和运动转化规律的理论体系就是量子场论。各种类型的基本粒子都可以用相应的量子场来描；粒子之间的相互作用就是这些量子场的耦合；这种相互作用就是由场的量子来传递的。规范场理论也是一种场论，它成功地解释了基本粒子。简单介绍如下：
（1）当一些连续群发生局部变换时，其Lagrangian量保持不变。对Lie群发生的变换称为规范变换。
（2）为了确保在群发生变换时的Lagrangian量保持不变，规范场通常是包含在 Lagrangian量中的。
（3）Lie群是对称群，如果对称群是不可交换的话，数学上通常称之为非阿贝尔群（non-Abelian group）。
（4）与非阿贝尔群对应的规范理论称为杨-米尔斯理论（Yang-Mills theory）。
（5）规范理论成功地为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学框架——标准模型（Standard model）。
（6）标准模型就是对称群为U(1)xSU(2)xSU(3)的非阿贝尔规范理论，它总共有12个规范波色子，包括1个光子，3个弱波色子和8个胶子（gluons）。
（7）量子电动力学（quantum electrodynamics）是对称群为U(1)的规范理论，它具有一个规范场就是电磁场，相应的规范波色子就是光子。
（8）强相互作用的规范群是SU(3)，对应的理论是量子色动力学（quantum chromodynamics）。
（9）弱相互作用的规范群是SU(2)xU(1)，对应的理论是格拉肖、萨拉姆和温伯格理论（Glashow Salam and Weinberg theory）。
在W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克（Top quark）及魅夸克（Charm quark）未被发现前，标准模型已经预测到它们的存在，而且对它们性质的估计也非常精确。虽然标准模型对实验结果的解释很成功，但它也有很大的缺陷。首先，模型中包含了许多参数，如各粒子的质量和各相互作用强度。这些数字不能只从计算中得出，而必须由实验决定。其次，理论所预测的希格斯玻色子到现时为止仍未被发现。最后这理论未能描述引力。
（10）目前更有大统一理论（grand unified theories），试图用同一组方程式
描述全部粒子和力（包括强相互作用、弱相互作用、万有引力和电磁相互作用）。已有包括SU(5) 、SO(10)和E(6)等大统一模型。
（11）上述李群的符号和名称简介如下：SU是特殊酉群(Special unitary group)、SO是特殊正交群(Special orthogonal group) 、E是单李群(Exceptional simple Lie group) 。
（12）酉群和正交群表示式括号中的数字n表示对应的酉群和正交群分别是由nxn 的酉矩阵和nxn的正交矩阵组成。
（13）单李群E(6)的秩是6，相应的维数是78。
介绍了那麽些与粒子有关的ABC后，再回到王君告诉过我的那个快子，来看看为什么它的静止质量是虚数。
（1）快子的概念是由Gerald Feinberg发表在《物理评论》（Phys.Rev. v.159, pp.1089-1105 (1967)）上的论文“On the possibility of faster-than- light particles”而首次被引入物理学的。
（2）相对论中的能量动量关系可以表示为一个等式：
左边是能量E平方，右边是动量p平方与光速c平方之乘积再加上质量m平方与光速c四次方之乘积。
（3）因为快子是一种四维动量时空的粒子，所以上述能量动量表示式中的p是亚光速粒子（bradyon）的相对论动量，m是其静止质量。
（4）由简单的代数运算得到粒子的总能量E可以表示为质量m与光速c平方之乘积再乘以一个 Lorentz因子。
（5）当粒子的速度v比光速c小时，Lorentz因子中的平方根部分为实数。粒子的静止质量m是实数，此时的粒子称为慢子（tardyon）。
（6）当粒子的速度v等于光速c时，Lorentz因子中的平方根部分为零。而粒子的总能量E必须是实数，所以分子也必须为零。c不等于零，自然只有m为零了。所以粒子的静止质量m是零，此时的粒子称为光速粒子（luxon）。
（7）当粒子的速度v大于光速c时，Lorentz因子中的平方根部分为虚数。而粒子的总能量E必须是实数，所以分子也必须是虚数，因为两个纯虚数之商是一实数。分子是粒子静止质量m与光速c平方之乘积，显然唯一的可能就是粒子静止质量m必须为虚数。此时的粒子称为快子（tachyon）。
如前所述，我啃了将近半个世纪的物理课本，却不知道粒子的静止质量m为虚数这 回事。这个着实困扰过我的问题只需如此简单的代数计算就得出了解答。上述结果顺利成章，Bingo！
看到这儿，估计绝大部分读者都明白了速度比光快的粒子的静止质量m为虚数是怎麽得出来的。但是粒子的静止质量m为虚数究竟是怎麽回事呢？诸君是否明白，我不得知，反正我自己是一点都没有明白!如果有哪位和我一样不明白的话，也别郁闷。我抄了首有位美女的打油诗在下面，且丢开郁闷，和我一起来吟咏一番：
There was a young lady named Bright,
Whose speed was far faster than light;
She started one day
In a relative way,
And returned on the previous night.
一位佚名贤达将上面的英文五行打油诗（limericks）译成了汉语的四行打油诗：
年青女郎名葆蕾，
神行有术光难追，
快子理论来指点，
今日出游昨夜归。
尽管In a relative way 没有交代，不过基本意思已经表达出来，念起来也算得上有韵有致了。原诗是加拿大出生的英国菌类学家A. H. Reginald Buller 看了爱因斯坦的广义相对论后发表在著名的幽默和讽刺杂志《笨拙》（Punch Dec.19，1923)上的。
我想说的是，如果阁下有幸同葆蕾女郎明日出游今夜归的话，由粒子的静止质量m为虚数引起的郁闷必然烟消云散。至于究竟是有女同车，将翱将翔；还是有女同行，颜如舜英就见仁见智了。
作者：断章师爷 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
上一次由断章师爷于2010-7-22 周四, 下午1:20修改，总共修改了1次 |
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