在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

上面的內容,就是人類目前對於膠子的研究和認識。怎麼樣?到現在為止,你的大腦還能儲存多少內容? 其實你的大腦儲存東西的極限是不存在的。但單次儲存內容的極限是存在的。所以你可以休息一天,明天繼續來看下面的內容。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

再來看一下關於W粒子和Z粒子的知識內容。在物理學中,W及Z玻色子(boson)是負責傳遞弱核力的基本粒子。它們是1983年在歐洲核子研究組織發現的,被認為是粒子物理標準模型的一大勝利。

W玻色子是因弱核力的“弱”(Weak)字而命名的。而Z玻色子則半幽默地因是“最後一個要發現的粒子”而名。另一個說法是因Z玻色子有零(Zero)電荷而得名。

W玻色子有兩種,分別有 +1(W+)和−1(W−)單位電荷。W+是W−的反粒子。而Z玻色子(Z0)則為電中性的,且為自身的反粒子。這三種粒子皆十分短命,其半衰期約為 3 imes 10^{-25}秒。

這些玻色子在各種基本粒子之中屬重型的一類。W的質量為80.399 ± 0.023 GeV,而Z則為91.1876 ± 0.0021 GeV。它們差不多是質子質量的一百倍——比鐵原子還要重。

玻色子的質量是十分重要的,因其限制了弱核力的相用範圍。相對地,電磁力的相用範圍無限遠因為光子無質量。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

於1950年代量子電動力學的空前成功後,科學家希望為弱核力建立相似的理論。於1968年,這個論調在統一電磁力和弱核力後達到高潮。提出弱電統一的謝爾登·格拉肖、史蒂文·溫伯格和阿卜杜勒·薩拉姆因此得到1979年的諾貝爾物理學獎。他們的弱電理論不止假設了W玻色子的存在來解釋β衰變,還預測有一種未被發現的Z玻色子。

W和Z玻色子有質量,而光子卻沒有——這是弱電理論發展的一大障礙。這些粒子現時以一個SU(2) 規範理論來精確描述,但理論中玻色子必定無質量。譬如,光子無質量是因為電磁力能以一個U(1)規範理論解釋。某些機制必須破壞SU(2)的對稱來給予W和Z玻色子的質量。其中一個解釋是由彼得·希格斯於1960年代晚期提出的希格斯機制。它預言了一種新粒子——希格斯玻色子(現今此粒子已被證實存在了)。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

SU(2)測量儀理論、電磁力和希格斯機制三者的組合稱為格拉肖-溫伯格-薩拉姆模型。它是目前廣泛接受為標準模型的一大支柱。

W和Z粒子的發現是歐洲核子研究組織的主要成就之一。首先,於1973年,實驗觀察到了弱電理論預測的中性流作用;那時加爾加梅勒的氣泡室拍攝到有一些電子突然自行移動的軌跡。這些觀測結果被詮釋為中微子藉由交換沒有軌跡的Z玻色子與電子互相作用。由於中微子是偵測不到的,因此實驗中只能看到電子因著交互作用而造成的動量改變。

W和Z粒子要到能量夠高的粒子加速器建立後才正式被發現。第一部這樣的加速器是超級質子同步加速器,其中卡洛·魯比亞和西蒙·範德梅爾在1983年一月進行的一連串實驗給出了明顯的W粒子證據。這些實驗稱作“UA1”(由魯比亞主導)和“UA2”,且為眾多人合作的努力成果。

範德梅爾是加速器方面的驅策者(隨機冷卻)。UA1和UA2在幾個月後(1983年五月)找到Z粒子。很快地魯比亞和範德梅爾因而得到1984年的諾貝爾物理學獎,這可算是保守的諾貝爾獎基金會自成立以來相當不尋常迅速的一次。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

再來說說光子,光子是我們大家都比較熟悉的粒子。光子(Photon)是一種基本粒子,是電磁輻射的量子。在量子場論裡是負責傳遞電磁力的力載子。

這種作用力的效應在微觀層次或宏觀層次都可以很容易地觀察到,因為光子的靜止質量為零,它可以移動至很遠距離,這也意味著它在真空中的傳播速度是光速。如同其它微觀粒子,光子具有波粒二象性,能夠展現出波動性與粒子性。例如,它能在雙縫實驗裡展示出波動性,也能在光電效應實驗裡展示出粒子性。

阿爾伯特·愛因斯坦在1905年至1917年間發展出光子的現代概念,這是為了解釋一些與光的古典波動模型不相符合的實驗結果。當時被普遍接受的經典電磁理論,儘管能夠論述關於光是電磁波的概念,但是無法正確解釋黑體輻射與光電效應等實驗現象。

半古典理論在麥克斯韋方程組的框架下將物質吸收光和發射光所涉及的能量量子化,而行進的光波仍採古典方法處理;如此可對黑體輻射的實驗結果做出合理解釋。

愛因斯坦的主張與普朗克的半古典理論明顯不同,他提出光本身就是量子化的概念,當時愛因斯坦稱之為“光量子”(英語:light quantum)。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

雖然半古典理論對於量子力學的初始發展做出重大貢獻,從於1923年觀測到的電子對於單獨光子的康普頓散射開始,更多的實驗證據使愛因斯坦光量子假說得到充分證實。由於這關鍵發現,愛因斯坦於1921年獲頒諾貝爾物理學獎。

光子的概念帶動了實驗和理論物理學在多個領域的巨大進展,例如激光、玻色-愛因斯坦凝聚、量子場論、量子力學的統計詮釋、量子光學和量子計算等。在物理學外的其他領域裡,這概念也找到很多重要應用,如光化學、高分辨顯微術,以及分子間距測量等。在當代相關研究中,光子是研究量子計算機的基本元素,也在複雜的光通信技術,例如量子密碼學等領域有重要的研究價值。

根據粒子物理的標準模型,光子的存在可以滿足物理定律在時空內每一點具有特定對稱性的理論要求。這種對稱性稱為規範對稱性,它可以決定光子的內秉屬性,例如質量、電荷、自旋等f。光子的自旋為1,因此是玻色子,不遵守泡利不相容原理。

電磁場可用規範場論來理解為要求時空中每一個位置都滿足對稱性要求的結果。對於電磁場,這種規範對稱性是複數的局域阿貝爾U(1)對稱性,複數代表著可以自由改變其相位,而不改變其實數部分,例如能量或拉格朗日量是複數的實部。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

在對稱不破缺的前提下,阿貝爾規範場的量子必須是無質量的、不帶電荷的玻色子,因此理論預言光子為無質量無電荷並帶有整數自旋的粒子。電磁相互作用的形式決定了光子的自旋一定為±1,即螺旋性一定為正負h{displaystyle pm hbar ,}正負,對應著光子經典概念中的左旋和右旋;而虛光子也可能會具有無物理意義的其他自旋態。

物理學家一直在致力於檢查實驗結果和標準模型的預言相矛盾之處,特別是從實驗中計算光子所帶電荷和內秉質量的上限,任何一個值非零都是對標準模型致命的破壞。然而,目前為止所有實驗都證明光子具有的電荷和內秉質量為零,現今最為廣泛接受的上限值分別為5×10−52庫侖(3×10−33倍基本電荷)和1.1×10−52千克(6×10-17電子伏特)。

在流行的標準模型中,光子是弱電相互作用的四個規範玻色子之一,其他三個是參與弱相互作用的W+, W−和Z0,它們都具有內秉質量,因此需要一種SU(2)規範對稱破缺的機制來解釋。

光子和W、Z玻色子的電弱理論是由格拉肖、薩拉姆和溫伯格完成的,三人因此項工作獲得1979年的諾貝爾物理學獎。而大統一理論的創立,是物理學家試圖將這四種規範玻色子和傳遞強相互作用的八種膠子規範玻色子聯繫起來的嘗試;然而大統一理論的一些關鍵性預言,例如質子的衰減,還沒有在實驗中得到證實。

當一個系統輻射出一個光子,從相對系統靜止的參考系來看,能量相應地降低了一個光子對應的能量E=hv,這造成系統質量降低了{displaystyle E/c^{2},};同樣地,系統吸收光子時質量也會增加相應的值。

這一概念被應用於狄拉克發起的理論——量子電動力學的關鍵性預言中。在這理論裡,電子(或更普遍性的,輕子)的質量被修正,將虛光子的質量貢獻納入計算,應用到重整化技術。這種“輻射修正”在量子電動力學裡給出一些預言,例如,輕子的磁偶極矩、蘭姆位移、束縛輕子對的超精細結構(例如μ介子素或電子偶素)。

既然光子對能量-動量張量有貢獻,根據廣義相對論它們也會產生引力場。反過來,光子本身也會受到引力場的作用,在彎曲的時空中它們的路徑也會發生彎曲,在天體物理學中這被應用為引力透鏡。在強引力場中運動時光子的頻率會發生引力紅移,這一點已經在龐德-雷布卡實驗(英語:Pound-Rebka experiment)中得到證實。當然,這些效應並不僅限於光子,而對經典的電磁波同樣成立。

更多關於光學知識的介紹,在前面幾章有論述,大家可以回頭多看看。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

最後一個要認識的粒子是希格斯玻色子。這個前面第第二十四章《希格斯玻色子,讓一切重起來!》有詳細的論述,大家返回去來看。

希格斯玻色子(英語:Higgs boson)是標準模型裡的一種基本粒子,是一種玻色子,自旋為零,宇稱為正值,不帶電荷、色荷,極不穩定,生成後會立刻衰變。希格斯玻色子是希格斯場的量子激發。根據希格斯機制,基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質量。在2013年的時候,希格斯玻色子被發現了。

以上就是所有61種基本粒子的相觀知識和歷史實驗發現。對於我們來說,這不是終極理論。就像文中提到的,還有一些科學家在搜索發現新的粒子。

所以人類永遠不會無聊,因為有太多未解之謎,宇宙之謎等著我們去破解 。

在物理學中,W及Z玻色子是負責傳遞弱核力的基本粒子

摘自獨立學者,詩人,作家,國學起名師靈遁者量子力學書籍《見微知著》


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