基本粒子的祖孙三代与宇宙真粒子

基本粒子的祖孙三代与宇宙真粒子


基本粒子的祖孙三代与宇宙真粒子


基本粒子的祖孙三代与宇宙真粒子


“基本粒子”的“祖孙”三代

为正确确立宇宙真粒子体系,我们必须对基本粒子的祖孙三代有一个全面的了解。

从汤姆孙发现电子到1932年发现中子,人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。当时一度认为一切都已搞清楚:质子和中子构成一切原子核;原子核和电子则构造了自然界的一切原子和分子,而光子仅仅是构成光与电磁波的最小单元。然而好景不长,对物质结构的这样一种“圆满”的解释并没能持续多久,人们很快发觉当时所发现的基本粒子不能圆满地解释核力。

第一代 35年著名的日本物理学家汤川秀树(1907~1981年)大胆假设,很可能还有未曾发现的新粒子。汤川秀树认为,就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样,核力是通过核子间交换一种介子而实现的。他还估算出了这种粒子的质量大约是电子质量的200倍。两年之后,美国物理学家卡尔·戴维·安德孙(1905~年)在宇宙射线中发现了一种带电粒子,它的质量是电子的200倍左右,被命名为“m(缪)介子”。理论预言的成功使人们倍感欣慰,但进一步的考察却令人十分扫兴。因为这种m介子根本不与核子相互作用,很明显,它不可能是汤川秀树所预言的粒子。歪打正着,阴差阳错。

1947年,巴西物理学家塞色,M·G·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子——p介子。p介子的性质完全符合汤川秀树的预言,能够解释核力。实际上,“m介子”不是介子而是一种轻子,所以现在将m介子称为“m子”。到1947年,人们认识的粒子已达14种之多。其中包括当时已发现的光子(g),正负电子(e±),正负m子(m±),三种p介子(p±,p0),质子(p)和中子(n)10种;另外4种就是1956年在实验室中被发现的正反电子中微子、反质子和反中子。这14种粒子各有用武之地,其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质;光子是电磁力的传递者,p介子传递核力,中微子在b衰变中扮演不可缺少的角色(b衰变是原子核自发地放射出电子或正电子,或者俘获原子内电子轨道上的一个电子,而发生的转变);而m子则在宇宙射线中出现。以上这些就构成了第一代粒子。

第二代 稳定的秩序似乎并没有维持多久,“完满”的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破。在发现p介子的1947年,人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片,衰变产物是p±介子和质子(p)。这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释,于是人们很自然的想到,这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里,人们拍摄了十多万张宇宙射线照片,终于发现了这两种不带电的新粒子。其中一个质量为电子质量的1000倍,现在被叫做“k0介子”;另一个约为电子质量的2200倍,现在称为l粒子(读“兰布塔”)。我们称它们为第二代粒子,这是因为它们有两个明显的特点:(1)产生快,衰变慢;(2)成对(协同)产生,单个衰变。这些特点用过去的理论是无法解释的,所以又称它们为“奇异粒子”。为了对这些奇异粒子进行定量研究,光靠宇宙射线是不够的。50年代初,一些大型加速器陆续建成,使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核,以研究奇异粒子。到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子,使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为“第二代粒子”。

第三代 如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类,那么其中有的粒子是稳定的,例如质子、电子等;有的粒子却要自发地衰变成其它粒子,例如m±、p±、π0、k0、λ0……等。它们衰变的时间一般在10-20~10-16秒或大于10-10秒,分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变。到了60年代,由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展,在实验上也发现了衰变时间在10-24~10-23秒范围的快衰变粒子,其衰变属强作用衰变。这些粒子被称为“共振态粒子”,也称“第三代粒子”。由于它们的出现,使粒子种类猛增到上百.

基本粒子理论是一个发展中的理论,是关于基本粒子的结构、相互作用和运动转化规律的理论。它的理论体系就是量子场论。按照量子场论的观点,每一类型的粒子都由相应的量子场描述,粒子之间的相互作用就是这些量子场之间的耦合,而这种相互作用是由规范场量子传递的。

20世纪30年代以来,基本粒子理论在实验的基础上有了很大进展。在粒子结构方面,人们已经通过对称性的研究深入到了一个层次,肯定了强子是由层子和反层子组成的,对真空特别是对真空自发破缺也有了新的认识。在相互作用方面,发展了可描述电磁相互作用的量子电动力学,发展了能统一描述弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论,可用于描述强相互作用的量子色动力学。它们无一例外都是量子规范场理论,并且都在很大程度上与实验一致,从而使人们对各种相互作用的规律性有了更深一层的了解。

但是,人们对粒子的无限可分和终极粒子的思考并没有停止。宇宙真粒子论就是在这个基础上诞生的有关物质的科学哲学理论,是正确解决无限可分和物质终极状态问题的理论。



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