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回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/1/31 18:35:56    跟帖回复:
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第二十六章   色彩的魔力

1973年4月  普林斯顿  哈佛

虽然原子核中电子的深度非弹性散射的鱼鳞现象暗示夸克–部分子的存在,在二十世纪七十年代初夸克模型未获得广泛接受,还有三大障碍。

夸克注定是自旋值为-½费米子,但该模型强调,强子应含有两个或以上显然同处量子状态的夸克,这违反了泡利不相容原理。例如,质子被认为含有两个上夸克和一个下夸克,这有点像是说原子的电子轨道上会有两个自转增快电子和一个自转减慢电子,这不可能。电子波函数的对称性也禁止这样,只能有两个电子,一个自转增快和一个自转减慢,容不下第三个。

鱼鳞现象本身意味着在质子和中子内,夸克像独立的点粒子,自由行动,这又怎么可能?如果合理假设,夸克被强大的短核力绑在一起,那它们必须绑紧在核子里?一个物理机制中,夸克既是被绑定在核子里,又可在核子里自由独立移动,想象起来有困难。

最后还有,不论夸克在核子是被紧绑着还是有自由,深度非弹性电子散射的确解放了它们。为什么碰撞碎片中见不到这样的自由夸克?分数电荷粒子存在证据的完全缺位是主要障碍。

盖尔曼第一篇有关夸克的论文发表不久,不相容原理的问题就已经被提起,虽然准备离开马里兰大学去到普林斯顿高级研究所工作,物理学家格林伯格Oscar Greenberg在1964年提出,夸克可能是类费米子parafermions,这是等于是说,除了量子数区别上,下和奇夸克,夸克还能以“自由度”来作区别,例如,会有各种不同类型的上夸克,只要它们不同种类,不占有相同的量子状态,两个上夸克可以在质子中彼此快乐地坐在一起。

南布一郎试过类似方法,表明应该有三种不同的上夸克,和各有三种不同的下夸克和奇夸克,每种都拥有不同于电荷的新“荷”。容易混淆的是,他称这新型荷为粲charm。一位年轻的来自纽约锡拉丘兹大学Syracuse University研究生,韩国出生的韩武永Moo - Young Han,在1965年写信给他,概述相同的主意。他们一起写论文当年晚些时候发表。这不是盖尔曼的夸克理论的简单扩展,但是,南布以为这是摆脱分数电荷的好时机,作为替代引进了值为+1.0和−1的粲荷。

然而,没人注意到1969年新的实验结果显示,中性π介子衰变成两个高能光子符合夸克模型。(作者注:就像中性k介子,中性π介子演变成一种量子叠加态,它由一个上夸克与一个反上夸克叠加态和一个下夸克与一个反下夸克叠加态组成。)特别是,衰变率由夸克模型预测是有三个,非常小,就像鱼鳞般使夸克紧附在表面,致以中性π介子衰变的发散威胁要再刮掉它们。

很明显必须采取措施,但盖尔曼,刚在斯德哥尔摩得了1969年诺贝尔物理学奖,没有关注到。

弗里奇Harald Fritzsch出生在茨维考Zwickau,莱比锡以南的德国东部,与同事一起从东德叛逃,挤进三轮摩托摆脱了保加利亚当局搜捕,他们走了200多英里经黑海到达了土耳其。

他西德的慕尼黑普朗克物理学和天体物理学研究所读理论物理学博士,他的教授之一是海森堡。在1970年夏天前往美国斯坦福线性加速器中心的路上在科罗拉多的阿斯本Aspen市阿斯本物理中心见到了盖尔曼,盖尔曼与他的家人已回到亚斯本,老毛病,又错过了为瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会受奖演讲稿出版的截止日期。(作者注:在诺贝尔奖网站上Nobelprize. org。网站直称:“盖尔曼教授已作了他的诺贝尔奖演讲[1969年12月11日],但是没有提交加入此卷的文稿。”这只是众多错过截稿日期之一。

阿斯本中心是个静谧的地方,盖尔曼可以在附近的洛矶山脉登高爬山,放松,缓解工作压力,只思考物理学问题,但弗里奇要把盖尔曼从遐想中叫醒。弗里奇是一个夸克模型的狂热信徒,对斯坦福线性加速器中心开始揭示鱼鳞和点状夸克–部分子结果激动不已,他惊奇地发现盖尔曼竟然对自己的“数学杰作”糊涂而好奇。

看起来,即使在那时,盖尔曼还没有充分把握住他当初建议的重要意义。弗里奇作为一个学生,早在东德时,就已深信夸克必定是强核力量子场理论的核心,比数学方程式重要,因为它们是真的。

盖尔曼对这年轻德国人的热情印象深刻,同意弗里奇到加州理工,合作研究一个月。他们开始一起构建基于夸克的场理论。1971年初弗里奇完成他的研究生学业,转到加州理工。他到达的日期1971年2月9日,恰逢那天早上圣费尔南多山谷San Fernando Valley附近的西尔马Sylmar遭受地震,达里氏6.6级。盖尔曼后来写道,“为了纪念,我让挂在墙上的这些画继续歪着,直到它们又一次经受1987年地震。”

斯坦福线性加速器中心从中子到质子的深度非弹性散射效应实验结果继续指向夸克。报道科学消息的沙利文Walter Sullivan在1971年4月的《纽约时报》这样描写这个发现:“具体来说,这些研究结果提示在质子和中子内存在带电荷的点,从多方面看,就像难以捉摸和长期寻找的夸克。”

盖尔曼为自己和弗里奇1971年秋前往欧洲核子中心筹够了捐款,在那里,威廉 巴丁William Bardeen,,巴丁–库珀–施里费尔超导理论发明者之一约翰•巴丁的儿子,告诉他们关于中性π介子衰变中的发散,这是一个对原始夸克模型的直接实验挑战。韩–南布Han–Nambu整数夸克模型预测衰变率更准确。

盖尔曼,弗里奇和巴丁开始一起探究是否可能协调出中性π介子衰变的分数电荷夸克结果,他们先尝试了类费米子模型,然后看上了韩–南布的协变主意。

他们承认,他们需要新的量子数,韩–南布曾用过的“粲”已被用到了格拉肖假设的第四夸克上。因此,盖尔曼决定把新量子数叫做“色”colour。这种用颜色抽象来指代不是全新的主意,盖尔曼和费曼过去曾用“红”和“蓝”指代不同的中微子,其他物理学家也用过这个术语。在这新方案中,夸克将拥有三个可能的色量子数:红,绿和蓝。(作者注:盖尔曼,弗里奇和巴丁原计划称它们为红,白和蓝,灵感来自法国国旗。不过,随即了解到三原色在混合后会是白色。为了避免混淆,我修正目前使用的术语规定。)重子由三个不同色的夸克组成,这样使它们的总 “色荷”是零,三原色的乘积会是“白色”。例如,质子可以由一个蓝上夸克,一个红上夸克和一个绿下夸克组成(uburdg)。中子则包含蓝上夸克,红下夸克,和绿下夸克(ubdrdg)。介子中如π介子和K介子,可由色夸克及其反夸克组成,反正总色荷是零,粒子呈“白色”。

这是一个简洁的解决方案,不同色的夸克提供额外的自由度,并意味着没有违反泡利的不相容原理。不同类型夸克的三重态意味着中性π介子的衰变率现在可以准确预测了。没人能期望在实验中看到色荷作为夸克的属性显现,夸克被装在白色的强子里。色之所以无法看到,是因为大自然要求所有可观察到的粒子呈白色。

“我们逐渐看到[色]变量会为我们解决所有问题!”盖尔曼解释道。“它解决了统计问题,它没有因此涉及添加发疯般的新粒子,后来我们还意识到它可以解决动力学问题,因为可以由此建立一个SU(3)规范场论,一个杨振宁–米尔斯理论。”

这是SU(3)对称群的不同运用,盖尔曼从SU(3)全对称派生出八正道,并以此变“味”-上,下和奇-成另一个,而使夸克的色保持不变。现在有人提议从色荷构建SU(3)局部规范场理论。(作者注:虽然这些SU(3)应用不同,事实上都是SU(3)并不是巧合。如果夸克的质量是零,那么SU(3)味对称就是精确对称。)

到1972年9月,盖尔曼和弗里奇制定了详细的模型,包括三个分数电荷,它们可各带三个味夸克和三个色夸克,由八个色胶子把它们绑定在一个系统,即强核“色力”载体系统。盖尔曼在罗切斯特举行的庆祝芝加哥国家加速器实验室启用高能物理学会议上提出了这个模型。

但他又有新主意了,只是麻烦还是在于夸克的本身地位及其永久被禁锢的机制,盖尔曼象是有意要给理论号角加上弱音器,说起模型中的一个变量,即胶子时,他强调,夸克和胶子带有“虚构”成分,到他和弗里奇写演讲稿时,他们有点被疑问搞晕了头。后来他写道“在准备书面讲稿时,很不幸,我们被上述疑虑缠住了,就只谈了些技术问题。”

理论家们称它为渐近自由,鱼鳞现象显示,夸克的表现就像核子内部自由的点粒子,因此在零分离渐进极限中他们可以完全自由。然而由于某些原因他们无法被拉出来,每当它们之间的分离增大到要挣脱核子绑定时,强核力量会出手制止它们。

这真是有点反常,物理学家们习惯性认为,力场的表现应像电磁力或引力,随着距离的扩大,力的作用就越小。现在竟然需要决然相反的力场,夸克越靠近,力场就越小,随着它们分得越开,力场就越大。

1972初,31岁的美国理论家格罗斯David Gross在普林斯顿决定一劳永逸地除掉量子场理论,他要先证明深度非弹性散射实验要求渐近自由的场理论,然后再证明渐近自由不可能存在于量子场理论中。

他完成了第一个任务,随后,他一路应用各种可重整场理论,一个一个排除,证明它们不是渐近自由。最后,在1973年春天,他应用到不易处理的局部规范场论。他后来解释说,“只留下规范场论这个洞,没有得到同样的证据,所以我和韦尔切克Frank Wilczek要填平那个洞,他从做研究生起就跟我一起工作。” ’

韦尔切克1972年秋天就到了普林斯顿学数学,但他真正的热情是粒子物理学,他是格罗斯的第一个研究生。格罗斯后来说起韦尔切克,“他把我整惨了,我原以为他们都那么优秀。”

他们开始工作,但这是一个漫长而乏味的证明过程。 对21岁的韦尔切克来讲,这将是他博士论文的主题,他还担心其他同学的竞争。事实上,特•胡夫特早已经有结论,杨振宁–米尔斯规范场论可以显示此反常表现,但他仍忙于重整化,没有时间去跟进这问题。

到1973年4月,格罗斯和韦尔切克以为他们得到了答案,正当格罗斯预料局部规范场论不是渐近自由,发现是否有希望提出鱼鳞理论,还有一种角度必需要研究透。

他们都不知道,23岁的哈佛毕业生波利策David Politzer也一直在研究同一问题,1966年毕业于布朗克斯科学高中,获得密歇根大学学士学位后于1969年到哈佛读研,他的论文导师是理论家科尔曼Sidney Coleman,曾是加州理工盖尔曼的研究生。

波利策的发现很不一样,然而他得出结论,渐近自由可能存在于局部规范场论。科尔曼在春季学期离开哈佛去了普林斯顿,波利策就打电话告诉他,并解释发现了什么。“嗯,哼,”科尔曼这样回答。“很有趣-除了格罗斯和他的学生,用同样的计算方式得出了相反的结论。”“我检查过了,”波利策争辩到“我想我没错。”

“他们不会错,”科尔曼说。波利策和他的妻子在缅因州修了个短暂的假期,天老下雨,所以他就乘机再检查一次他的计算,确信没有犯一个错误,回来后他告诉科尔曼,他得到相同的结果。“是的,我知道,”科尔曼这才承认,“格罗斯和韦尔切克发现了他们自己错了,他们已经向物理评论快报递交了论文 因为这很重要。”

在科尔曼主动提醒下,格罗斯和韦尔切克又检查了计算结果,找到了一个符号错误。波利策连忙写就一篇自己研究成果的简短论文交上,结果在《物理评论快报》1973年6月并排同时发表。 这是个惊人的发现。强核力不像其他已熟知的力,它在夸克靠拢时变弱,所以在强子内它们几乎感觉不到对方的存在。又一个障碍突然被清除了。

盖尔曼在1973年6月回到阿斯本中心,琢磨着格罗斯–韦尔切克和波利策论文的校样,弗里奇和洛伊特维勒Heinrich Leutwyler,在加州理工访问研究的伯尔尼大学的瑞士理论家也在那里。他们一起构建了三个自旋值为-1/2的色夸克和八个自旋值为-1的色胶子的杨振宁–米尔斯场理论。现在胶子需要带色荷,以便对应渐近自由。理论家们预测,应该还有点违反深度非弹性散射。

年底发表的格罗斯,韦尔切克和波利策论文确认,这种鱼鳞状违反现象是渐近自由的特征,不同的电子能量的结构分布图倾向于和增加中的q2/v衔接。但在鱼鳞区域内现在可预期,有些电子能量的分布会显示温和的增长,其他的能量分布则温和下滑。

在斯坦福线性加速器中心,麻省理工学院的物理学家里奥丹Michael Riordan注意到这种表现,“真让人大开眼界,”里奥丹写道,“格罗斯,韦尔切克和波利策不可能知道我们的数据,但他们的预计和我们记录下的基本相同。”

新的理论需要一个名字,1973年,盖尔曼和弗里奇已经称它为量子强子动力学quantum hadron dynamics,但来年夏天,盖尔曼想出一个更好的名字。“这理论包含许多美德和未知的缺点,“他解释道。”“正是在第二年夏天在阿斯本,我为这理论发明了量子色动力学quantum chromodynamics,简称QCD,并敦促帕格尔斯Heinz Pagels和其他人采用这个名称。”

一个伟大的合成,在单一SU(3)×SU(2)×U(1)量子场理论框架中结合强核,弱核和电磁力的理论,似乎终于得手了。

不过最后障碍还有什么呢?渐近自由解释了为什么夸克在强子内相互作用非常弱,但这并不能解释为什么夸克要被禁锢。有的理由说是随着夸克的分离而增强的强核力相互作用的先期影响,以“红外奴役”禁闭夸克,但不能给出证明。理论家想用的通常可靠的数学工具,往往会因为非常大的强核力极限变得无法使用。

各种带图的模型尝试解释禁闭,其中之一称,当夸克分离时,胶子场会围住夸克,形成可想像的窄管或色荷串起的“弦”。由于夸克要扯拉,弦先被绷紧,而后被扯拉,随着分离拉力的增加,回扯的力也同时增强。

最终弦断,但能量足以自发地从真空召来夸克–反夸克对,把一个夸克从强子内扯出来的同时,与召来的反夸克配成对,形式介子,召来的夸克进入强子内取而代之。

夸克从来没被禁闭,但也从来没在无陪伴的情况下被观测到过。

在这种情形下,粲夸克又在哪里呢?






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谢谢啊!
每天坚持顶帖!
回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/1 7:33:16    跟帖回复:
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高老,给您拜个晚年,祝您身体好啊!
回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/1 7:37:47    跟帖回复:
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中国迫切需要大量的普遍的自发的类似高老这样的科学精神
回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/3 14:14:51    跟帖回复:
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第二十七章   十一月革命

1974年11月长岛, 斯坦福

量子色动力学理论在有这名字之前就有麻烦。

粒子物理学家们已经开始把他们的注意力从高能粒子轰击静止目标移开了,在这类实验中,激发新粒子用的能量只有粒子能量束的平方根规模,剩余的碰撞能量被“浪费”了。物理学家们想到,如果他们把两个高能粒子束从相对方向发射,彼此直接对撞,在粒子束相交时两个粒子碰撞的净动量为零,因此所有粒子束能量都可作用于新物理效应。电子撞电子和电子撞正电子的对撞机首先在意大利的弗拉斯卡蒂Frascati,马萨诸塞州的坎布里奇,斯坦福线性加速器中心分别建成。

电子和正电子相撞,可能湮灭并产生高能虚拟光子,也许最好想象成一个小小的电磁“火球”, 光子留不住所有这些能量并产生不同的粒子,根据守恒定理可包括任何粒子–反粒子组合:其他电子–正电子对,μ介子–反μ介子对或夸克–反夸克对。夸克–反夸克对迅速找到伴侣形成强子。

只要总质量–能量和自旋守恒,光子的这些不同衰变路径的概率只取决于生成粒子的电荷平方, 强子与μ介子生成的比率则取决于三个夸克电荷的平方(2/3)除以μ介子电荷平方(1)的总比率。但现在我们必须牢记,有三种类型的上,下和奇夸克,所以这个比率再乘以3,结果是量子色动力学理论QCD对强子的R和生成μ介子的2的比率预测。

对碰撞能量为1到3G电子伏特之间,意大利对撞机ADONE似乎确认R =2,但碰撞能量在4至5G电子伏特之间,坎布里奇的对撞机CEA得出R值在 4和6之间,1973年投入使用的斯坦福SPEAR对撞机,由斯坦福大学物理学家里克特Burton Richter和他的团队用它来检查这些结果,到12月,里克特能够证明CEA的结果正确。强子和μ介子生成比率随着碰撞能量增加而在2以上大幅增加,并没有趋稳的迹象。(作者注:与QCD不同的理论预测的R值从0.36 到无穷大。)

怎么回事儿?会不会发现更多的夸克?还是电子和质子有可能自己会变成夸克和反夸克?就像里克特的观点,生成了多余的强子?

1974年4月,格拉肖在专门研究介子性质和表现的波谱学专家会议上致辞,他敦促他们去找粲介子,或存在会被“外行”outlanders,即并非专家的其他实验物理学家抢先发现的风险。格拉肖声明,“有三个的可能性,一,粲找不到,那我就吃下我的帽子,二,波谱学专家发现了粲,那我们共同庆祝,三外行发现了粲,你们吃下各自的帽子。”

伊利奥普洛斯同样看好粲夸克,1974年7月在伦敦举行第十七届罗切斯特年会上,他发表了令人难忘的演讲赞扬 SU(3)×SU(2)×U(1)量子场理论,并宣称,事实将证明“..在遥远的过去,就存在着单一统合的规范场论的残破断片。”

他以一箱名酒打赌,下一届罗切斯特年会,粲粒子发现的主题将主导讨论。

格拉肖给几乎所有会听他的粒子物理学家打气。1970年马亚尼举办告别晚会,在泊于波士顿港的邮轮上,格拉肖,伊利奥普洛斯,马亚尼包围住麻省理工学院的物理学家和布鲁克海文实验室领头人丁肇中Samuel Chao Chung Ting,他们只想忘情地边喝边聊粲夸克和诺贝尔奖。丁肇中表面上声称蔑视理论家的不着边际的胡说乱道,内里则很精明,善于给新想法设计有趣的实验。表面上,丁肇中看上去不以为然。

格拉肖比布鲁克海文的萨米奥斯运气好,他解释说,粲夸克存在的间接证据就在中微子碰撞质子的碎片中,他认为,交换虚拟W粒子会把质子中的下夸克变成粲夸克,生成哪怕只生存一瞬间的带粲夸克的重子,其迅速衰变成多个强子,其中会有中性λ粒子Λ0,含有一个上夸克,一个下夸克和一个奇夸克uds,粲夸克转变成奇夸克的结果。

这就是关键,λ粒子生成研究中,λ粒子总是和它的反粒子Λ¯0一起生成,然而在这种碰撞中,也会一起生成。孤独Λ0粒子的出现,其可观测到的衰变物有V形轨迹,是粲夸克存在的证据。

萨米奥斯和他的同事帕默Robert Palmer开始从布鲁克海文新建的气泡室探测器启用以来,经年积攒的成千上万粒子碰撞照片中寻找这样的的照片。正好有一个候选照片在1974年5月底被原总机接线员,现在为扫描仪操作员的拉索斯Helen LaSauce发现。在拉索斯根据照片画出的草图(见图17)中,看不见的中微子在气泡室探测器猛撞了质子,造成爆炸喷出π介子雾气和看不见的Λ0粒子被炸飞出特有的V形轨迹。

一个照片不够,不过,对与粲夸克不相干的轨迹表象还有其他解释。“你不想说你光凭一个新效应就确定找到一种新物质状态,”帕默解释道,“所以我们不断回头重做计算。”他们整个夏天及初秋都在继续探索。

1974年8月,格拉肖到布鲁克海文,再一次促请搜寻粲夸克并描述各种发现证据的可能方式,丁肇中准备用30G电子伏特的交替渐进同步加速器Alternating Gradient Synchrotron(AGS)研究高能质子–质子对撞并仔细观察生成强子的混沌中出现的电子–正电子对。这些都是棘手的实验,要求单独检测到的电子和正电子的轨迹可追踪返回到源头,并确认二者来自同一次碰撞。不,不,格拉肖呼吁,粲夸克的证据不是来自观察电子–正电子对,他告诉丁肇中的研究团队,而是通过寻找奇异粒子π介子和K介子对。

经过多次出错,丁肇中的实验终于在8月22日开始,8月31日他指示团队在2.5G和4.0G电子伏特能量之间的“母”粒子中寻找电子–正电子对的出现。丁肇中已有思路周到完善的美誉,他在研究团队内安排了两个小组对实验原始数据进行分析,互相独立并使用各自的计算机及程序。除了全团队会议,他们互相不沟通。

小型计算机直接连接到实验设备,分析能力不足,因此,必须由研究人员负责给布鲁克海文的主机更新数据。9月2日,丁肇中的博士后学生之一罗兹Terence Rhoades第一个注意到分析结果不同寻常。

该数据表明电子–正电子对在3G电子伏特能量时“叠”成一堆。罗兹不能确定该现象的成因。由于担心分析出错,他没有告知丁肇中。两天后实验因加速器原定停机而终止。

来问题了,罗兹和他的同事,德国物理学家贝克尔Ulrich Becker一起作分析程序,他们互相指责对方犯了错,他们下到布鲁克海文计算机中心,把大家都轰出去后他们重新检查分析。没什么两样,波峰在3.1G电子伏特依然再现,依然窄尖。

麻省理工学院助理教授陈敏Min Chen跟埃弗哈特Glen Everhart9月初在第二分析小组工作,当他第一次普查总成数据结果时,就有所关注,然后极其好奇。数据显示在3.1G电子伏特时有非常强,呈窄尖状的共振。他怀疑计算机程序有问题,但快速检查后没有明显错误,他这才怀疑这是新物理现象,共振显示了未知粒子。(作者注:已有先例,早在1968年,美国物理学家莱德曼Leon Lederman和他的哥伦比亚大学研究小组进行类似实验时在3.1G电子伏特周围发现了一个“肩状”波峰,但是他们转而研究更高的能量区域,没有深入研究。)

丁肇中很感兴趣,但十分谨慎,他还有善于挑出其他物理学家实验错误的声誉,他不想犯同样的错误。实验必须再来过,又做了各种检查以确定3.1G电子伏特共振的真实性,这意味着在布鲁克海文AGS加速器到10月初完成日常维护前,他不得不花更多的时间等待,他正在与1966年去了斯坦福大学的美国物理学家施瓦茨Melvin Schwartz竞争。

丁肇中强烈地感到要发布研究结果的压力,从而保住首先发现的地位,为求精准又得不压抑住这冲动,他要求同事们发誓绝对保密,发表研究结果只能等到确认实验数据之后。

这是个冒险的策略,尤其是在斯坦福大学的电子–正电子对撞机工作的所有物理学家,他们要做的就是把能量束调到约1.5G电子伏特,共振能量的一半,他们无疑会有同样的发现。然而,丁肇中知道,斯坦福大学物理学家仍然在探索总能量范围4.0G–6.0G电子伏特,测量生成强子和 μ介子的比率,只要他们呆在这个能量区域,他就可以高枕无忧。

不过丁肇中无法阻止流言,10月22日,他得到重新使用AGS加速器的许可,实验可以重新开始了,同一天施瓦茨恰巧见到了他。

“我听说你3.1G电子伏特发现了波峰,”施瓦茨祝贺他,“没有,绝对没有,”丁肇中撒了谎。“我不仅没有发现波峰,而且一直都平坦无奇。”施瓦茨有点生气,他能理解保密的重要性,但不喜欢被欺骗。“我和你打赌,十块钱赌你发现了波峰。”他说。“没问题,我奉陪。”丁肇中回答。他们握手告别,施瓦茨生着闷气走了。丁肇中回到办公室,在他的记事板上,打下一行字,“我欠施瓦茨十块钱。”

斯坦福大学物理学家施韦特斯Roy Schwitters遇到了麻烦,他在SPEAR加速器实验其中一个用于分析数据的计算机程序里找到一个错误。当他更正后,重新分析自6月开始进行的实验数据,在3.1G和 4.2G电子伏特处都显示出一个小波峰,特别是两个实验都显示了,分别在运行到1380和1383处,在3.1G电子伏特下强子生成事件出现非常高的数字,它很容易被当成干扰而忽略,但施韦特斯找不出任何理由拒绝它们。10月22日,他让共同协作的劳伦斯伯克利实验室的头戈德哈伯Gerson Goldhaber,再仔细看一下。(作者注:劳伦斯伯克利实验室是伯克利辐射实验室的前身,在1959年劳伦斯去世后重新命名为劳伦斯伯克利国家实验室。)

丁肇中坚信他们会在11月初有成果,他的研究小组已在多种配置下反复实验,窄尖的波峰在3.1G电子伏特巍然不动。现在毫无疑问,布鲁克海文物理学家们发现了新粒子。丁肇中叫它J,基于有趣的粒子都以罗马字母命名,如W和Z波色子。

现在发表的压力真的很强烈,但丁肇中知道,如果新的粒子确实包含粲夸克,那么它就不是首次发现,只是一系列新粒子发现的证明。他现在想宣称首次发现整个粲粒子族,不顾贝克尔和陈敏及团队其他成员的意见,许多同事都承受着保守秘密的困苦,他还是决定不予发表。他认为斯坦福大学SPEAR对撞机的研究人员不会找到新粒子,除非他们知道往哪里找。

11月4日,里克特从哈佛开了一系列讲座后回到斯坦福,他发现SPEAR对撞机研究人员处在3.1G电子伏特的小波峰应如何解释的兴奋状态中,他们敦促他再安排对撞机不同配置实验,以便可以更详细地核查。但这不是小事儿,到这个时候SPEAR对撞机已升级到能量在5G电子伏特以上,返回到3.1G电子伏特既消耗时间,如果被证明是虚惊一场,不但浪费宝贵的时间,还白费许多精力和金钱。这一周在持续辩论中度过。

同时戈德哈伯已确信在运行到1383 处显示k介子生成显著增加,这正是格拉肖建议应该找粲夸克特征的地方。里克特11月8日召开会议检讨有关情况,戈德哈伯的论点赢了,SPEAR对撞机转向3.1G电子伏特再做碰撞实验。(作者注:虽然这证明很幸运,因为事实上戈德哈伯曲解了数据,其实没有额外的K介子生成的证据。)

第二天上午,非常不寻常的事情发生了,作为第一批数据结果从正在重新配置的对撞机开始出来,研究人员细查3.1G电子伏特能量处,的确发现了表示生成强子的窄尖波峰,最初的记录事件显示,每分钟一个,波峰也比正常的高三倍。隔天早上,当对撞机能量对准3.11G电子伏特时,记录下的反应更大,波峰高于基线七倍。

戈德哈伯坐下来写关于这次发现的摘要,一个小时后有人告诉他,在3.104G电子伏特处又发现一个波峰,跳升到高于基线十倍,每秒钟都记录到强子生成事件。这真是前所未有。在3.105G电子伏特处,他们终于发现了峰顶,较基线高一百倍以上。冰箱里的香槟拿了出来,就着糕点干。新发现的消息一下子传遍斯坦福线性加速器中心,SPEAR对撞机控制机房里挤满了来客,电话开始响个不停。

新粒子必须要有名字,经过调查之后,戈德哈伯和里克特选定希腊字母Ψ,物理学家们同意第二天,11月11日下周一,发布发现公告,。

丁肇中于11月10日离开纽约,前往斯坦福线性加速器中心出席一个程序咨询委员会会议。在布鲁克海文,SPEAR对撞机有发现的消息开始传到了丁肇中研究小组。他们给旧金山机场环球航空的前台留了言,但当他凌晨1点打电话过去,他们判断,这只不过是某种恶作剧。

在入住火烈鸟酒店后,他又接到一个电话,火烈鸟酒店就是费曼在1968年8月搞明白肯德尔鱼鳞图时住的地方。这次似乎是毫无疑问的,SPEAR对撞机研究人员有重大发现。丁肇中快速与在那里的同事通话,获知第二天就要宣布了。

丁肇中小睡了一会儿,他现在不得不同时公告,他让布鲁克海文的团队准备好实验数据的发放。

丁肇中和里克特11月11日上午8点左右在斯坦福线性加速器中心碰面时,他们的谈话如下: '

“巴特,我得告诉你一些有趣的物理发现,”丁肇中说。

里克特说:“山姆,我也得告诉你一些有趣的物理发现。”

很快就显示(见图18)出,两个研究小组作出了同一个发现。“山姆!都一样!肯定对!”里克特大叫。

他们发现的是自旋值为-1的介子,由一个粲夸克和一个反粲夸克组成。格拉肖叫它“粲素” charmonium,由氢原子的质子被正电子取代的正电子素positronium类比得来。SPEAR对撞机研究人员又发现粲素的第一激发态在3.7G电子伏特。丁肇中想发现全部粲粒子企图没有得到回报,并几乎坏事儿。

接着为到底谁先发现出现了沉默期,因为牵涉到诺贝尔奖,当舆论倾向斯坦福线性加速器中心发现在先时,丁肇中担心他和布鲁克海文研究小组可能会出局。在1975年9月5日发表的科学杂志上丁肇中画出了一个清晰的时间表佐证布鲁克海文的发现。他还暗示,实际上是布鲁克海文有发现的传言传到施瓦茨和其他人那里,才导致SPEAR对撞机研究人员回头看3.1G电子伏特。布鲁克海文团队继续谈论J粒子,SPEAR对撞机团队则谈Ψ粒子。因为采用对方名称将表示为承认其优先发现权。

虽然施瓦茨向斯坦福大学的同事们提过与丁肇中的十块钱赌注,没有证据表明布鲁克海文的模糊传言影响到斯坦福线性加速器中心的发现。它被接受为这两个实验室独立的发现,里克特与丁肇中共享1976年诺贝尔物理学奖。今天,这粒子仍被称为J/Ψ。

萨米奥斯和帕默在1975年3月会议上展示了单一粲重子事件,但没有进一步的证据证明“裸粲”naked charm,即粒子含有单个粲夸克或反粲夸克,即将出现。在1976年4月的一次会议上,格拉肖敦促戈德哈伯加紧搜寻。格拉肖预测,一个中性粲D介子,由一个粲夸克和一个反上夸克组成,应该在1.95G电子伏特能量处被发现。1976年5月初,戈德哈伯在1.87G电子伏特处找到了它。

当下半年介子光谱会议召开时,召集人瓦恩斯坦Roy Weinstein重复了格拉肖的帽子比喻,粲确实被外行先找到了,瓦恩斯坦给每个出席者发了一顶糖做的墨西哥小帽子。

介子波谱学家们吃掉了帽子。

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17涉及生成粒子可能候选效应图。此效应事件,发生在19745月的布鲁克海文的气泡室中,似乎显示生成一个孤独的Λ°粒子,通过其衰变物显现的V状特征轨迹。此图显示重建的粒子轨迹。布鲁克海文国家实验室提供。

18 J/Ψ,自旋值为-1的介子由一个夸克和一个反夸克组成,由里克特领导的斯坦福线性加速器中心研究小组和丁肇中领导的布鲁克海文研究小组同时发现。a斯坦福线性加速器中心研究小组在电子-正电子湮灭的3.1G电子伏特的突出共振。

b、在布鲁克海文高能质子-质子碰撞实验显示同样的共振。 摘自霍德森Hoddeson等《标准模型的崛起:二十世纪六十年代和二十世纪七十年代的粒子物理学》,剑桥大学出版社,1997年第6264页。

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mxz641120 马马饿饿乡,谢谢支持.
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第二十八章  中介玻色子

1983年1月6月   日内瓦

发现J/Ψ是理论物理学的胜利,它还有助于理清基本粒子结构并很快成为粒子物理学“标准模型”的基础。

现在已有两“代”基本粒子,每代包括两种轻子和两种夸克及其之间负责携力的粒子。电子、电子中微子、上夸克和下夸克属于第一代,μ介子、μ子中微子,奇夸克以及粲夸克构成第二代,以它们的不同质量来区别。光子携带电磁力, W和Z粒子携弱核力,八个色彩胶子携强核力作用于色彩夸克之间。(作者注:胶子表示各种色彩–反色彩组合的叠加,如(红-反蓝加蓝-反红,(蓝-反绿减绿-反蓝)等组合,来自QCDSU(3)对称性方程展开的结果,如果只算所有可能的色彩–反色彩组合,胶子应该有九种,而不是八种。)

如果说对称性进展很爽,但这爽快感很快就结束了。到1977年春,甚至更重的电子,所谓T子存在的证据已无可辩驳,斯坦福线性加速器中心的佩里Martin Perl和同事们多年来一直在用SPEAR对撞机研究电子和正电子对撞湮灭后不规则电子-μ介子对实验,他们相信,还生成T子-反T子对,分别衰变成电子和反μ介子或μ介子和正电子。这不是物理学家们真想听到的结果,不过,他们还有疑问,当在汉堡的德国电子同步加速器Deutsches Elektronen Synchrotron,简称DESY的独立证明结果传来时,再没人能否认T子的存在了。

有T子就应有T子中微子,并不可避免地猜测实际上会有第三代轻子和夸克。莱德曼错过发现J/Ψ,得到的补偿是1977年8月在费米实验室发现了Y介子及其第一,第二激发态。(作者注:莱德曼和同事们以为他们已经在6G电子伏特找到了Y介子的波峰,过早公布了研究结果。波峰后来不见了,幻像般的粒子被称为“哎呀-莱德曼”。 Y介子随后出现9.5G电子伏特。 见莱德曼,第321页。)这是一种介子,由那时被称为底夸克及其反夸克组成。质量约为4.2G电子伏特,底夸克较重,属第三代版本的带−1/5电荷的下夸克和奇夸克。随着碰撞能量更高对撞机的兴建,第三代的最后成员,还要重的顶夸克预计能够很快找到。(作者注:有人尝试命名新夸克为“真”truth和“美”beauty,但更加乏味的“顶”和“底”获胜。)

尽管看上去有点令人吃惊,第三代轻子和夸克已被吸收进标准模型理论,1979年8月在费米实验室举办的研讨会上,提出了电子和正电子对撞湮灭实验中发现看起来象夸克和胶子喷射的证据,这些是夸克-反夸克对形成强子时产生的定向喷射,一个活跃胶子也同时从夸克里“解放”出来,夸克和胶子中这种典型的“三维射流”事件提供了最惊人的证据。(作者注:三维射流事件首先由在DESY研究小组发现,后由丁肇中领导的CERN国际研究小组佐证。)

顶夸克仍然失踪,W粒子,Z粒子和弱核力中介玻色子的直接证据也缺失。当标准模型成为新正统时,格拉肖,温伯格和萨拉姆得知他们获得了1979 年诺贝尔物理学奖。

对标准模型基本正确的信念在增长,弱核力中介玻色子W和Z粒子存在的证据是否仅为间接条件仍有争论。这些携力粒子由可重整的弱核力和电磁力量子场理论对称性自发坍塌SU(2) ×U(1)预测,被希格斯场粒子佐证,并由此赋予粒子质量。

W和Z粒子存在的间接证据通过观察弱核力衰变早已获得。 没有这些粒子的参与,不可能有这些观测结果,它们就在那里。但在实验物理学,要看到了才相信。为了把SU(2)×U(1)弱核力理论坚实地纳入标准模型内,就必定要直接看到W和Z粒子,但这里要挑明了,能证明中性流相互作用得不到诺贝尔奖,但不管谁发现了中介玻色子肯定能得诺贝尔奖。

在诺贝尔奖受奖演讲中,温伯格曾解释弱电理论预测 W和Z粒子质量基于弱力的“混合角”θW+。温伯格预测W±粒子的质量约等于40G电子伏特/sinθW+,预测Z0的质量是80G电子伏特/sin2θW+左右。演讲后来提到实验估计的sin2θW为0.23±0.01,对应混合角29°时,W±粒子的质量约等于83G电子伏特,Z0为94G电子伏特。(作者注:混合角θW也称为温伯格角涉及W和Z粒子质量,根据表达式cosθW=MW/Mz,MW就是W±的质量,Mz就是Z0粒子的质量,混合角因碰撞能量不同而变化,混合角29°表明比率约为0.875。)就质量而言,W和Z粒子大概和锶原子的原子核一样重。

欧洲核子中心(CERN)的超级质子同步加速器(SPS)是有6.9公里周长的质子加速器,于1976年6月启用,它原来设计是300G电子伏特加速器,施工时增强到能达到粒子能量400G电子伏特,但启用前一个月,已经被能达到 500G电子伏特的费米实验室质子加速器超越。

但问题是,这些都是加速器,而不是对撞机。尽管这样高的加速粒子能量,将粒子粉碎轰击静止目标,结果造成大量能源浪费。这个方式只有低能量粒子可以生成并观测到,要达到W和Z粒子能量要求的加速器或对撞机远大于任何已在建的和使用中的。

世界第一台强子对撞机,叫相交储存环the Intersecting Storage Rings,简称ISR,已建成在欧洲核子中心,1971年启用(作者注:1965年12月建造ISR的决定在韦斯科普夫担任欧洲核子中心总干事的最后一次咨询局会上作出。).这是一个强子-强子对撞机,但是,其峰值能量束足够达到W和Z粒子的能量。

还有一个问题,这是一个长期项目,大型电子正电子对撞机,简称The LEP预期要到1989才能投入运营。欧洲核子中心的物理学家没有耐心去等,“发现W和Z粒子的压力如此之大,”欧洲核子中心的物理学家达里乌拉Pierre Darriulat这样回顾,“要花那么长时间设计,开发和建造大型电子-正电子对撞机,把我们大家等急了,连最有耐心的都不耐烦了,有希望哪怕能先瞥一眼新玻色子的方法极受欢迎。”各种建造质子-质子对撞机的争论不止,但欧洲核子中心经理们拒绝了,因担心延误LEP项目。

欧洲核子中心粒子物理学家们需要想办法扩展现有设施的功能,例如把SPS使用扩展到非常重要的能量实验领域,如进行质子-反质子碰撞实验。不过,反质子生成的机制,碰撞高能质子轰击静止目标,生成大量散播能量的粒子,存储环按设计值能在很窄的能量分布范围接收粒子,其结果将会有加了速的低密度或低亮度的反质子,能进行一定数量的碰撞实验。

要使反质子束达到足够的亮度进行对撞实验,需要反质子能量“聚拢”和汇集在能量束上。

幸运的是,欧洲核子中心物理学家凡德梅尔Simon van der Meer知道怎么做,凡德梅尔是加速器理论专家,主要从事粒子加速器和对撞机设计和操作数学原理的实际应用,他在1968年曾用ISR做过一些实验,并于四年后发表了一个内部报告,时间上拖沓的原因很简单,物理学在他的追捕下有点发急了,报告中他写道:“当时的想法似乎太超前,没理由发表它。”

可以回顾麦克斯韦1867年关于热力学第二定律的思想实验举例说明凡德梅尔的主意,室温气体由许多亿原子组成在空间运动,以各种速度彼此碰撞,与容器壁碰撞,平均速度可由气体的能量和温度测定。

麦克斯韦提出,假如我们在容器中安放一个带小孔的隔间,小孔上有快门。容器现在有了两厢, 我们称之为A厢和B厢。进一步假设实验由感官敏锐麦克斯韦妖徒Maxwell's demon来做,他能够感觉到A厢里高速运动的原子对准了孔,他就打开快门,让原子进入B厢内。同样,当B厢内一个原子低速朝洞移动时,他也能感觉到并打开快门让原子通过到达A厢。

过一段时间后,所有高速原子都已进了B厢,所有低速原子也都进了A厢。没有经过任何举动,妖徒提高了B厢中气体的温度,A厢内的则降低了。这明显违反了热力学第二定律,其中指出隔离系统中“无序”气体的熵值不能自发地降低。

违反显而易见,但不是真的,为“敏感”到气体中原子的速度,妖徒一定消耗了能量,导致熵值在更大的系统中提高。可以说,当把妖徒和他的测量仪器都算进去,那么总系统的熵值根据第二定律确实提高了。

凡德梅尔要做的就是类似的事,如果能从遥远的所需能量束中“感觉”到反质子能量,并“推“它们达到预期能量,那么结果会汇集反质子的能量和提高能量束的亮度。他1968年的实验曾暗示可以这样做。

他叫它“随机冷却”stochastic cooling,接收电极定位在部分能量束中检测反质子,其能量偏离预期的能量束,检测到后将信号发送到另一边的存储环。这种信号与偏离程度成正比,信号放大后会对能量束中的进攻性反质子产生电场作用,把它“踢”向环绕中的能量轨道中心,重复该过程百万次以上,反质子束就能汇聚到所需能量束。

随机冷却这个词中的冷却,其意思不是冷却能量束的温度,而是减低能量束中的随机运动及其中包含的粒子能量的散播。

1974年凡德梅尔用ISR.进行了随机冷却实验的测试,结果并不可观,但却足够报告实验已见成效。两年后,一个小储存环转而用于初始冷却实验,在1977和1978年取得很受鼓舞的结果。看起来用随机冷却技术,可以得到反质子束足够的亮度执行质子-反质子碰撞实验,不需要等到新对撞机建成。

270G电子伏特的质子和反质子能量束会在SPS中整合产生碰撞,产生总540G电子伏特的能量,超过揭示W和Z粒子所需的能量。

鲁比亚1976年就已开始领头在欧洲核子中心倡议进行质子-反质子对撞实验,当1978年6月最初的冷却实验被证明成功时,鲁比亚得到批准,组成一个物理学家协作组,精心设计检测仪器设施以证明W和Z 粒子的存在。因为这是在SPS区域,大面积开挖建造实验设施,故被称为地下区1号,简称UA1。协作组成员后来增加到130名物理学家。

这毕竟还是个吃不准的项目,又面临LEP项目的潜在干扰,对欧洲核子中心研究部来说,这不是一个容易下的决定,但董事会决定博一博。美国自二战结束以来一直主导高能物理学,占尽战后欧洲物理研究缓慢复苏的便宜,美国粒子物理学家已经拿下了一连串重大新发现,虽然欧洲核子中心物理学家曾参与中性流相互作用的发现,迄今为止,新粒子的发现还是在回避他们。此外,鲁比亚素以难相处著称,(作者注:韦尔特曼Martinus Veltman这样描写鲁比亚:“当他担任欧洲核子中心主任后,他每三个星期换一个秘书,这比二战期间潜艇或驱逐舰上水手的平均生存时间还短..”。见韦尔特曼第74页。)如果他没得不到许可,说不定就把这项目从欧洲核子中心带往他处。“最有可能的是,如果欧洲核子中心不买[鲁比亚]帐,他会卖给费米实验室,”达里乌拉后来解释道。

以上决定做出六个月后,第二个独立协作项目-UA2-在达里乌拉领导下组成,这是一个较小的合作,有50位物理学家,旨在与UA1友好竞争,相互促进。UA2探测器设施会少些,例如,它将无法检测到μ介子,但总可以给UA1的最终发现提供独立的旁证。

欧洲核子中心的质子同步加速器先把质子加速到26G电子伏特,用于从静止的铜标靶生成反质子。(作者注:欧洲核子中心粒子物理学家们估计,约100万个质子击中目标可生成两个反质子,估计能生成两个,还高了点。)反质子会注入专门建造的反质子积累器AA,维持在3.4G电子伏特能量每隔几秒钟处理一批。反质子在AA中积累一天或几天,再应用随机冷却技术汇聚反质子到所需能量,然后重新注入质子同步加速器加速到26G电子伏特。

反质子被传送到SPS环,沿相反方向加入质子,质子和反质子再被加速到270G电子伏特,但每束持续时间只有几纳米秒,等于几十亿分之一秒。质子束和反质子会在环道的六个点碰撞。UA1 和UA2探测器设施被定位在其中两个点上。

反质子在1980年7月首次注入AA。1981年7月SPS首次把反质子束加速到270G电子伏特, 第一次碰撞被记录下来。环道上的UA1和UA2探测设施设计成可拆卸的,一旦搜寻W和Z粒子工作结束,允许SPS恢复作为加速器轰击静止目标,进行更传统的实验。

1982年春天,首次表演“全武行”质子-反质子碰撞实验的机会来临,但UA1探测设施因压缩空气污染而失败。没办法,只有拆开UA1清洁其精密组件,这任务将耗时数月。

后果是,原定分开两次的质子-反质子对撞实验合并运行,1982年10月重开实验,UA1和UA2开始记录数据。不是所有的碰撞都能捕获记录,预计生成W和Z粒子的碰撞会非常罕见,因此两个探测设施都准备就绪以便针对符合预定程序标准的碰撞做出反应。在为期两个月中对撞机将产生每秒钟数千次碰撞,只有少数几次预期会生成W和Z粒子事件。

两台探测设施都编了程序查明事件涉及大角度弹射高能电子和正电子,电子携带的能量达到W粒子一半质量将会是W-粒子衰变的特征,高能正电子的同样特征将表示W+粒子的衰变。测量粒子送入对撞时的能量和对撞后粒子的能量之间的差,将决定是否有伴生的反中微子和中微子生成,因为它们无法直接检测到。

实验的初步结果于1983年1月初送到了设在罗马的质子-反质子对撞办事处,鲁比亚格外紧张地宣布,观察了几十亿次碰撞,UA1确认了六次候选的W粒子衰变事件,UA2则确认了四次候选事件。虽然是初步结果,鲁比亚却深信:“它们看起来像ws,闻上去也像ws,它们肯定是ws”。莱德曼写道:“他说得精彩,有内容,有风度,演技高超,逻辑分明。”

1月20日,欧洲核子中心的物理学家们挤进礼堂听鲁比亚作对于UA1和迪莱拉Luigi Di Lella关于UA2的报告,预定1月25日召开新闻发布会。UA2协作组起初对实验结果持保留态度,但很快作出了判断。W粒子被发现了,其能量接近预测的80G电子伏特左右。UA1协作组在1983年2月24日出版的物理快报发表了实验结果,UA2协作组的结果发表在不到一个月后出版的同一杂志上。

发现Z0粒子将更困难一直是共识,在质子-反质子对撞机实验于1983年4月恢复后,欧洲核子中心的粒子物理学家们对SPS再作调整,至少Z0粒子衰变的特征容易识别些,电子–正电子对或μ介子–反μ介子对被观察到,其携带着前所未见的能量。

UA1发现Z0粒子质量约95G电子伏特,1983年6月1日宣布,7月7日在物理快报发表。这是根据观察到的五次事件,四次生成电子–正电子对和一次生成μ介子–反μ介子对。UA2协作组积累了几个候选事件,但选择等待后续实验结果再行公布。最终UA2 报告了八个事件生成电子–正电子对。他们的研究结果于1983年9月15日在物理快报发表。

到1983年底,UA1和UA2共得到上百次W±粒子事件记录和十几次Z0粒子事件,并分别得出Z0粒子质量约81G电子伏特和93G电子伏特。

这是一个漫长的旅程,可以说,开始于1954年杨振宁和米尔斯发表强核力SU(2)量子场理论,(作者注:事实上,在1938年克莱恩就曾表示,弱核力量可能由带电荷的光子介导。)这理论预测了曾触怒泡利的无质量玻色子,1957年施温格尔曾猜测,弱核力由三个场粒子介导,他的学生格拉肖后来研究得出了SU(2)杨振宁–米尔斯场理论。

这期间发生了多少人情世故,无质量玻色子已经通过自发性对称坍塌和希格斯机制获得了质量,由此产生的理论显示可以重整,现在中介玻色子也找到了,就在人们预测的地方。

鲁比亚和凡德梅尔共享1984年诺贝尔物理学奖。

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第二十九章   标准模型

2003年9月   日内瓦

粒子物理学的重点转向了,很多粒子物理学家会把二十世纪六十年代和七十年代作为该学科的黄金时代。那时,新建成的加速器和对撞机引领人们踏上令人兴奋的旅途,进入了基本上未知的陌生领域,那里充满了粒子,有些已由理论家暗示。粒子的发现总是惊喜,如果不是困惑的话,但我们往往不清楚新发现的意义。

如今看来,粒子物理学家的任务仅仅是确认大家都知道肯定存在的粒子。新加速器或对撞机的目的只是要验证物理学家们已经确信的真相,旅途进入了越来越熟悉的领地。惊喜还是有,但物理学家们尚不清楚的多属于实验学家大步拓展发现后留下的不难解决的问题。

乘着成功找到W和Z粒子的东风,欧洲核子中心(CERN)的物理学家们继续搜寻顶夸克,他们失败了,结论是顶夸克的质量必定大于41电子伏特,几乎比第三代同伴大十倍,

而底夸克在二十世纪九十年代初(作者注:Z0粒子衰变的观测表明,没有证据显示生成顶夸克-反顶夸克对,说明顶夸克的质量必定大于Z0粒子质量的一半。)欧洲核子中心和费米实验室的泰瓦特龙Tevatron对撞机展开竞争,后者是新的质子-反质子对撞机,能达到1.8T电子伏特的碰撞能量,几乎接近2 T电子伏特,经它的帮助测定,顶夸克低限质量为77G电子伏特。

然后向91G电子伏特,Z0粒子的质量靠近。欧洲核子中心的物理学家无法让他们的质子-反质子对撞机的碰撞能量超过620G电子伏特,他们只得退出比赛。

顶夸克的发现最终由费米实验室在1995年3月2日宣布,经过两个研究小组,每组约有400位物理学家组成,互相竞争。(作者注:报告论文的头几页全是长串的个人姓名,)其质量是惊人的175G电子伏特,相当于铼核子,高于底夸克质量近40倍,通过其衰变物测定。高能的质子和反质子碰撞生成顶夸克-反顶夸克对,分别衰变成一个底夸克和一个W粒子。W粒子衰变成 μ介子和μ子反中微子。其余则衰变成一个上夸克和一个下夸克。碰撞最后结果是生成一个μ介子,一个μ子反中微子和四个夸克喷射。

除了希格斯玻色子,唯一有待发现的粒子T子中微子,也由费米实验室于2000年7月20日宣布已被找到。

随着顶夸克和T子中微子的发现,标准模型几乎已经成型。物理学家们面临前所未有的情况,即再也没有实验数据不符合以量子场理论为基础建立的标准模型预测。

从量子物理历史发端起,其发展始终伴随着令人不安和解释不清的实验结果。普朗克经历他一生中干过的最苦的活儿得来傲视天下的辐射公式理论基础。在哥本哈根街上被人叫住,泡利只得坦承他的痛苦来自反常的塞曼效应。当二十世纪五十年代和六十年代“基本”粒子数量和类型曾一度飙升,量子场理论家落在了下游,几乎在每一阶段,实验总是超过理论,理论家们接招都来不及。

现在不同了,现在已经没有令人不安或解释不清的实验结果,理论取得了胜利,但也深刻理解物理学研究没有尽头。

标准模型包括三种不同类型杨振宁–米尔斯量子规范场论SU(3)×SU(2)×U(1),它描述了三代物质粒子经由三种力相互作用,并由一组场粒子或“携力粒子”介导。

我们最熟悉的日常生活用的物质材料由原子组成,原子由质子和中子组成的中心核子,以及围着核子鬼魂般的电子波粒构成,质子和中子依次由上下夸克组成,这些夸克,电子、电子中微子都是自旋值为-½的费米子,它们在一起构成物质粒子的第一代标准模型。我们能亲身经验的物质世界所有材料都由它们构成。

每个夸克味分上下,由三种不同色彩,红色,绿色和蓝色不同组合而定,夸克被強色力strong colour force束缚在质子和中子里面,并会随着夸克挣开而加大力度,因此,夸克被永久“禁闭”,禁止在无陪伴时现身。色力由色荷自旋值为-1的胶子携带,胶子与夸克,与自身都能相互作用.。

上下夸克对和反夸克形成自旋值为0的π介子。正π介子(π+)由一个上夸克和一个反下夸克组合形成(ud¯), 负π介子(π-),由一个下夸克和一个反上夸克组合形成,(du¯)。中性π介子(π0),是一个 dd¯和uu¯叠加组合。这些是相对低质量粒子,所以在二十世纪四十年代和五十年代就被发现,还会被当作伪南部–戈德斯通玻色子,它们负责协调质子和中子间的互动,使之绑定在核子中。

还有另外两代物质粒子,按照第一代设定的规则,不同的只是在粒子质量上,第二代由奇夸克,粲夸克,μ介子和μ子中微子构成,第三代由顶夸克,底夸克,T子和T子中微子构成。

只会有三代粒子,欧洲核子中心应用大型电子正电子对撞机LEP详细研究Z0衰变显示只可以有 三种不同类型的中微子,如果有第四种,或第五种,进一步的衰变路径会向Z0开放,会影响其已测定的生存期,但并不排除急剧变异的一代物质粒子,包含有一个很重的中微子, (作者注:作为一代的中微子质量必须大于Z0粒子质量的一半。)但没证据表明存在这种粒子。因此,结论就只有三种中微子,并推断粒子只有三代。(作者注:中微子种群的数量被确定为2.985±0.008。见卡什莫尔Cashmore等第81页。)

强核力作用于夸克的色彩,弱核力由自旋值为-1的W和Z粒子为介导,也作用于夸克的色彩。在β放射性衰变中,弱核力更为人熟知的表现之一,是把中子里的下夸克变成上夸克,使中子变成质子,排放出W-粒子,然后W-粒子衰变成一个电子和一个反中微子。

通过混合弱核力交互作用,允许上夸克和奇夸克之间,下夸克与粲夸克之间转换。这种混合特点由卡比博角度the Cabibbo angle决定,以意大利物理学家卡比博Nicola Cabibbo命名,测量角度值为13°。进一步混合允许上夸克和底夸克之间,下夸克和顶夸克之间,粲夸克和底夸克之间,奇夸克和顶夸克之间转换。这就是普遍卡比博混合,即卡比博-小林Makoto Kobayashi -益川Toshihide Maskawa混合,简称CKM矩阵,其特征是三个角度,测量第一和第三代夸克之间的混合角度,约为0.2°,测量第二和第三代夸克之间的混合角度,约为2.4°。 第四个“角度”反映夸克之间耦合的相对相角和弱核力衰变的CP 破坏CP violation。

最后,电磁力行进在带电荷粒子之间,由无质量自旋值为-1的玻色子介导,它们就是光子,普朗克在1900年首先发现了它们,五年后由爱因斯坦在他的好年头时期发扬光大。

有些神秘地潜行地在这个形式后面的是希格斯场,其渗入真空,遍布宇宙。无质量粒子和希格斯场的相互作用或希格斯“聚集”赋予粒子质量,而所获质量大小反映了粒子和场之间的耦合程度。 希格斯场粒子就是自旋值为0的希格斯玻色子,已被提升到标准模型中的“上帝粒子”地位,负责所有粒子的质量。(作者注:然而应该注意到,与希格斯场互动并非是粒子获取质量的唯一来源。事实上,质子和中子质量的99%是来自胶子场绑定其夸克组合的能量,质子和中子也负责99%的原子的质量。)

“希格斯粒子本身从未被检测到过,”特•胡夫特在1995写道,“但希格斯场效应到处都是,如果没有希格斯粒子,我们的模型将有太多的对称性,所有的粒子会太相像,接近于无法区分。” ’

标准模型是理论物理学和实验物理学的共同胜利。特•胡夫特这样归纳标准模型理论:

“这是所有已知粒子及其作用其间的所有已知力场的数学描述,它使我们能够说明所有粒子的表现..据我们所知,没有任何物理学现象,能被视为不是标准模型理论的某种结果,而且,它的基本公式并不非常复杂。我们的确承认模型尚未绝对完美..然而,其完善程度令人印象深刻。”

但是标准模型并不代表着回归到1900年4月开尔文勋爵在皇家科学促进协会的著名演讲中的那种大获全胜,尽管模型理论显然十分成功,自二十世纪七十年代末扬名以来,其深藏的缺陷也令人痛心地显露了出来。

标准模型不得不容纳相当惊人数量的“基本”粒子,6种夸克味乘以三个色彩值就是18种不同的夸克,加上轻子族的电子, μ介子和T子以及它们的中微子,我们就有了24种费米子。然后.,再加上前述所有粒子的反粒子,就是48种,还有场量子族的光子,W+,Wˆ,Z0粒子和八个不同类型的胶子,使总数达60种。所有这些粒子都被“观测”到过,但我们也应该再加上至今仍未被观测到的希格斯玻色子,使粒子总数达到61种。很难相信一个理论需要这么多基本粒子。

这61种粒子在一个理论框架内连接在一起,它需要20个不可以来自理论的推导,必须通过实验测量获得的参数。 正如莱德曼在1993年形容的那样:

“想想要二十多个特定的数字宇宙才能启动,是什么样的数字或参数?它们是被谁请到物理世界来的吗?好吧,我们需要十二个数字指定夸克和轻子的质量,三个数字指定力的强度..我们还需要一些数字显示力量之间的连接。我们再需要一个数字指定CP破坏的进入,和希格斯粒子的质量值及其他有用的数字。”

粒子质量的规则特别棘手,以夸克为例, 我们必须区分“裸”夸克和“穿”了胶子的夸克,胶子的能量是夸克质量的一部分。裸体的上夸克质量确定在1.5到3.3M电子伏特,裸体下夸克质量介于3.5和6.0 M电子伏特。(作者注:这些夸克质量数据取自物理快报2008年第667期第1页,阿姆斯勒等著)当我们把这些数字与测锝的939 M电子伏特质子(uud)质量进行比较时,我们才了解胶子把它们绑在一起的能量的规模。

粲夸克有一个“波动”质量,约1270M电子伏特,(作者注:波动质量反映在不同能量等级下测量时,质量值的会有所不同的事实。)奇夸克的质量为104 M电子伏特,顶夸克的波动质量约171,200 M电子伏特,底夸克质量为4200 M电子伏特。这些数值看上去相当随机,没有理性节律。轻子的质量也一样,神秘而深不可测。(作者注:虽然中微子被认为无质量,最近对来自太阳的中微子流实验观察提示它们在不同类型间变身晃动,一个电子中微子转变为μ子中微子或T子中微子等。有可能中微子拥有非常小的质量,这可以容纳进标准模型,而代价是会引进更多的参数。)

混合角度决定强核力,弱核力和电磁力作用于夸克和轻子,也必须由实验来确定。质量和混合角度就是夸克与轻子同希格斯场相互作用。理论不能从第一原则预测出这些值,由此反映了简单的事实,在标准模型中,希格斯场的属性和对称坍塌机制的特定性质没有正确对接。

标准模型理论可以说没有把强核力,弱核力和电磁力正确地联合在一起。当然,模型并没有试图容纳进已知的第四自然力,引力。 这种力量太弱了,在基本粒子相互作用之间显得无关紧要。 但始终有诱惑感,且与粒子质量成正比,不断累积着。使夸克累积壮大变成核子,核子变成原子,原子变成分子,分子变成固体物质,物质进入行星,引力变得不可抗拒。

引力场暗示出引力量子场理论,一种力的载体,叫做引力子the graviton,负责引力的属性,引力子则需要自旋值为-2的场玻色子。熟悉的,已经都试过的和可信的方法形成的引力量子场理论都不可重整。

此路不通

没有令人不安或无法解释的实验结果可去追根寻源,没有理论预测等待实验证实,现在已经没有任何指引指导标准模型的制定。或者事实上,已经没有任何指引指导标准模型理论是否应该放弃,以支持一个完全不同的理论。

虽然希格斯玻色子的质量无法预测,欧洲核子中心和费米实验室的物理学家们可以从低到高来搜寻它的值。二十世纪八十年代末获准在德州沃克萨哈奇Waxahachie建设一个新设施,超导超级对撞机,简称SSC。这是一个87公里周长的环,能产生碰撞 40T电子伏特的能量,有潜能以实验物理抓住希格斯玻色子。在批准这项目时,美国总统里根曾敦促内阁“深掏”钱袋。1991年开始修建,这个项目由施韦特斯Roy Schwitters负责。

预算评估迅速增长,从1987年的44亿美元到1993年的120亿美元,尽管克林顿总统努力争取支持,此项目最后被国会取消。届时,已挖掘隧道近23公里,花了近20亿美元。

两年后批准了较为温和的建设项目,在欧洲核子中心建设大型强子对撞机,简称LHC,鲁比亚宣布,在围住欧洲核子中心的LEP 27公里长的隧道里,铺上超导磁体。LHC预计最终能产生14T电子伏特的碰撞能量,不到SSC可能获得能源的一半,但理论上有能力生成希格斯玻色子。

在2003年9月16日星期二早上,一小批非常杰出的物理学家们聚集在欧洲核子中心大型礼堂庆祝1973年中性流相互作用和1983年W与Z粒子双发现周年。马亚尼简短的欢迎致辞后,欧洲核子中心总干事温伯格描述了粒子物理学标准模型理论建立的曲折过程。他的结论如下:

“嗯,那时真是好日子,二十世纪六十年代和七十年代实验物理学家和理论物理学家都很在意彼此的想法, 通过互相交换看法,完成了伟大的发现。自那以后,我们基本粒子物理学再没见过这么好的日子,但我期望,随着这个实验室开始新一代的实验,我们会看到美好时光将会在数年后再来。
回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/10 11:00:33    跟帖回复:
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19粒子物理学的标准模型理论描述了由一组场粒子或载体介导三种力与三代物质粒子的相互作用。

回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/11 2:10:15    跟帖回复:
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哈哈,谢谢啊。
回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/14 13:12:38    跟帖回复:
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第三十章    隐变量

1951年春   普林斯顿

玻姆David Bohm 1950年12月4日被捕,被控藐视法庭。

他于1942年11月加入共产党,是伯克利分校跟奥本海默学习的年轻物理学家激进小组的核心成员,1943年3月,该组的温伯格Joseph Weinberg被联邦调查局非法安置在旧金山湾区共产党关键人物尼尔森Steve Nelson家的秘密窃听器抓到涉嫌泄露原子秘密,这证据不能被法院接受,为给温伯格的泄密套上犯法的帽子,美国众议院非美活动委员会HUAC传玻姆在1949年5月到听证会作证。

爱因斯坦建议姆拒绝作证,提醒他会“有时间坐下歇歇了”,暗示他不作证的刑罚坐监不会太久。但他选择了作证,在两次听证会上拒绝透露自己的姓名。而普林斯顿大学发表声明支持玻姆,并称他为“彻底的美国人”。

但这事件在未来一年里掀起了人们狂热的反共情绪,早先前时代杂志编辑,苏联间谍钱伯斯Whitaker Chambers的证词,透露出两个在美国总统杜鲁门政府供职的共产党员,国务院的希斯Alger Hiss和财政部的怀特Harry Dexter White。怀特1948年8月死于心脏病,希斯在1950年1月被判因两项伪证罪监禁五年。“红色恐怖”在1950年2月达到高潮,共和党参议员麦卡锡抓住这个机会,启动反共十字军运动,后来被证明是以莫须有罪名进行的政治迫害。

美国众议院非美活动委员会HUAC在1949年9月作出结论,温伯格和玻姆曾经是共产党小组成员,并向苏联传递了原子弹秘密情报。在玻姆被捕保释之后,普林斯顿大学校方却撤回了对他的支持,玻姆在审判期间被停职。

玻姆案于1951年5月31日开始审理,并被判无罪释放,几年后温伯格也被判无罪释放,但普林斯顿大学在与玻姆的聘用合同到期后,没有续签。介绍玻姆到普林斯顿大学任职的惠勒John Wheeler后来总结当时普遍的观点:“我发现很难接受玻姆决定保护那些坚持共产主义意识形态的人,尤其是当苏联一手压迫自己的人民,一手威胁着世界和平的时候。”爱因斯坦想给玻姆在高级研究所一个职位,但奥本海默担心自己研究所主任的地位,否决了此动议。

随着他的生活被打乱,玻姆很难集中精力研究物理学,他刚写成一本书,《量子理论》,正在校对,但他承认“校对这些[数学]公式与他自己的生活又有什么关系呢。”

这本书于1951年2月出版,受到了好评,关于理论问题,玻姆坚持正统的哥本哈根学派,虽然他在精神上与其说接近玻尔,到不如说更接近泡利。爱因斯坦欢迎这本书的出版,声称这是他读过的哥本哈根版理论文本中展示最清晰的一种。但是,这不意味着爱因斯坦接受玻姆所写的观点。 爱因斯坦在寻找一个时机来解释自己的反对意见,他邀请姆来见面。

早在1935年爱因斯坦,波多尔斯基和罗森曾断言,量子理论不完整。但他们对这理论到底如何能达成完整的问题始终没有回答,只声明原则上有可能,最简单的方法使这理论趋向完整就是恢复因果性和确定性,那就是要援引以某种形式隐藏着的变量。

爱因斯坦在1927年5月曾玩味过这种做法,就是结合古典波和粒子,修正量子理论。用薛定谔波函数的波动力学担任“引导场”,领波Führungsfeld引领物理上真正颗粒粒子。

在这个方案中,波函数负责所有的波状效应,如散射和干涉,但粒子维持其完整性作为定域的物理实体。不象哥本哈根版理论要求的要么波,要么粒子,爱因斯坦的隐变量版量子理论由波和粒子共同构成。

但爱因斯坦制订出这种方法短短几周后就失去了热情,因为引导场会施加“怪异”spooky的非定域影响力。在德布罗伊于同年10月第五届索尔韦会议第二天发言介绍他的“双解决方案”时,爱因斯坦早已放弃了这种方法,所以在德布罗伊发言过程中他始终保持沉默。(作者注:见本书第13章)

这个经历可能导致爱因斯坦得出初步信念,量子理论可以通过更直接地融合经典波和粒子概念达成“完整”是误导。他随后认为,一个完整的理论只能来自一个更激进的整个理论结构重新修订, 其中可能性之一是难以捉摸的大一统场理论,对此研究爱因斯坦耗尽了他生命中最后几十年的大部分精力和时间。

在他的《量子理论》一书中,玻姆似乎接受了玻尔对爱因斯坦-波多尔斯基-罗森思想实验挑战的回应,在解决此纷争中偏向哥本哈根版理论。他写道:“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森的批评,事实上,已显出有不公平的地方,依据有关问题性质的假设从一开始就和量子理论相抵触。” 尽管他这么写,但这个结论给他留下了尚不尽如意的感觉。

在他描述的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森争论中,玻姆把思想实验推向不同的适用性领域,他认为量子状态中的分子由双原子组成,其总的电子自旋角动量是零。简单的示例就是氢分子H2,其两个电子自旋对处在最低的,所谓“接地”ground电子状态。

假设这个分子在实验中破裂,总的角动量守恒,生成两个相等的原子碎片。氢分子一分为二成了两个氢原子,两个原子个归个,但单个原子中电子的自旋方向仍然相反,一个自旋向上,令一个自旋向下。

原子的自旋因此也相关,在某个任意实验室框架内测量原子A的自旋,允许我们确定性预测同一框架中原子B的自旋方向。我们可以得出结论,这两个原子的自旋取决于初始分子的量子状态性质和分子被打破的方法,原子分开其自旋方向相反,但运动方向不明,而测量也不能告诉我们运动方向。

但量子理论不这样处理,这两个原子在测量前不是由单个波函数描述,而是仍有纠缠。例如,一旦我们选择实验室的z轴测量原子A 成分的自旋,我们观察到波函数崩溃成原子A自旋方向与z轴方向对齐,那原子B也必将其自旋方向与z轴方向对齐。

不过,如果我们选择反过来,不测量原子A的x轴或y轴组件的自旋呢?无论测量哪个组件,物理学要求原子自旋肯定还相关,而且方向相反的结果始终可由原子B获得。如果我们接受爱因斯坦-波多尔斯基-罗森所提出的物理实在定义,那么我们肯定能得出结论,原子B自旋所有成分都是实在的元素,因此在不干扰原子B的前提下,看起来我们可以确定地预测它们。

然而,波函数只有一个自旋成分,与磁自旋量子数Ms关连。这是因为算子对应的笛卡尔坐标系(x,y,z)中自旋方向的三个成分不能换算,而成分是互补可观测的。所以要么波函数不完整,要么爱因斯坦,波多尔斯基和罗森的物理实在定义不适用。

哥本哈根版理论解释说原子B的自旋成分不“存在”直到测量原子A完成时,我们获得的原子B的结果将取决于我们如何选择仪器装置去测量原子A,无论当时原子B隔多远。

这是爱因斯坦,波多尔斯基和罗森原有观点的奇特重新想象,它使得量子纠缠性质及其对非定域怪异遥感作用的影响完全透明,测量原子的自旋方向比测量其位置或动量更可操作,它打开了进一步细化玻姆版的思想实验的可能性,它不仅在头脑中,甚至可以在实验室进行。

应爱因斯坦的邀请,玻姆在1951年春天来到普林斯顿大学,这时,他写书时产生的对量子理论解释的疑云,如今已成为清晰明摆着的问题。当爱因斯坦详细阐述了自己疑虑的基础要点时,很可能比早先爱因斯坦,波多尔斯基和罗森论文条理明确,玻姆承认需要改变立场。

“这次会面对我的研究方向有很大影响,”玻姆后来写到,“因为我那时开始对是否可以找出量子理论确定性延伸真的感兴趣了。”(作者注:据玻姆的长期合作者之一海利Basil Hiley解释,玻姆曾对跟爱因斯坦会面这样形容:“当我写完[量子理论]后,我强烈感到量子理论有严重错误。量子理论居然否定因果关系。我和爱因斯坦的讨论明确和增强了我的看法,并促使我再深入研究。”引自海利与作者的个人通信,2009年6月1日。)玻姆下意识地执著于因果关系和决定论概念,这些观念也是他心目中马克思主义意识形态的核心,马克思辩证唯物主义认为,阶级斗争决定社会进步social change is caused by competing social forces,不是机缘凑巧形成。相比之下,哥本哈根版理论却说,一切由掷骰子决定。

与爱因斯坦的讨论刺激了他,玻姆对诠释问题思考更深刻了,问题核心是哥本哈根学派直接拒绝单个量子系统可被客观描述。他写道:

“量子理论的通常解释前后基本一致,只要不涉及实验测不准的假设,即 ,单一系统最可能的完整程度取决于实际测量而不是取决于波函数的概率。唯一查清这个假设真相的方法是找到量子理论的其他解释,而不仅仅停留在目前的“隐藏”变量上..只要证明这种可能找到的解释不放弃精确,理性和客观解释量子层面单一系统的精度。”

玻姆并不想要寻求一个全新的理论或简单地复辟经典物理学,他只是认为量子理论构建在一系列假设之上,而其中最重要的,涉及理论“完整性”的假设,不受实验检验。哥本哈根版理论的诠释与其说建立在完整性前提上,不如说人们只是在表面价值上接受了哥本哈根版理论。玻姆要探究原则上可否形成其他的解释,甚至是理论。

似乎我们唯一可以检测到的东西就是粒子,及其已观测到的这些粒子形成的散射或干涉,提出这些粒子是真正实体的轨迹很有说服力,是否还有其他的粒子运动方式?

也许有,如果把薛定谔的波函数重新解释成描述客观真实的波状场,这可能有助于客观上引领真实粒子运动。玻姆现在重新返工把薛定谔波动方程做成结合经典物理基础动力方程,实际上就是牛顿第二运动定律,使其更加接近粒子的解释。玻姆只是假定场的波函数可以写成含有真正振幅和相位函数的表达式,其中,假设波函数的特定形式不完全脱离传统的量子理论。然而,玻姆现在假定存在一个真正的粒子,它运动于波场内,由引领条件施加相位函数牵制或引导,沿着真正的轨迹在空间运动。

所有波场中的每个粒子因此拥有精确定义的位置和动量,沿着由各自相位函数确定的轨迹,然后运动方程不仅取决于经典潜能,而且还取决于第二个所谓的量子潜能。

量子潜能本质上属于非经典,在要不然就是完全经典的理论中负责引入量子效应,拿掉了量子潜能或让它降低到零,玻姆方程就恢复为经典牛顿力学方程。

实际性质中,量子潜能有着奇特属性,它能在经典潜能消失的空间区域对粒子施加影响。这反差带有牛顿引力场般经典潜能的影响,距离越远作用越小。粒子在没有经典潜能出现的空间区域中移动,不过,仍受量子潜能影响,有些经典物理珍惜的概念,如无作用力直线运动,则必须放弃。

这种反差带有强烈的量子概率概念,在常规量子理论中,波函数只是计算工具,用算出的概率解释重复测量相同系统集成的相对概率结果,这些结果在测量进行之前不可确定。在玻姆的理论中,粒子运动是预定的,我们计算概率只是因为我们对所有粒子集合的初始条件无知。这些概率,指代的不是测量结果,指代的是个体粒子及其状态,即它们的位置及其轨迹。测量因此不具有神秘色彩,测量告诉不了我们粒子的实际状态或粒子的位置或粒子实际通过测量仪器的轨迹,这些全都早已确定了。

概率正如波恩的原始解释,还是和波函数的振幅相关,但这并不意味着波函数只有统计意义,相反,可假定波函数具有很强的物理学意义,由其决定量子潜能的形状。

这就是隐变量理论,隐变量不是引导场,量子波函数已显示出其属性和表现,隐藏的其实是粒子的位置。玻姆理论再次引入因果关系的经典概念,经典粒子由领波场决定轨迹走向。测量仪器的某种改变导致波场的改变,粒子随即相应作出反应。隐变量据说还是“非定域”的,在这个意义上,至少没有和玻尔坚持的测量仪器为主的观点相左:“在这一点上,”玻姆写道,“我们同意玻尔的观点,他一再强调基本测量仪器是实验观测系统不可分割的一部分。”

这理论恢复了因果关系和确定性,消除了援引波函数崩溃。但它没有消除掉非定域影响力和“怪异”的遥感作用,因此被认为不符合狭义相对论。

事实上,玻姆真的重新发现并扩展了德布罗伊的“双解决方案”理论,(作者注:因此,玻姆理论通常被称为德布罗伊–玻姆理论。罗森Nathan Rosen在1945年还尝试了一个非常类似的方法,但没有进一步研究它。 见贾梅尔Jammer《量子力学的哲学》第285页。请注意,这是一个非定域隐变量理论,原则上有能力作出不同于传统量子理论的预测。随后的量子非定域隐变量理论作出的预测与传统量子理论没多大区别。)他有两篇关于隐变量理论及其在氢原子的应用的论文,1951年7月他提交给了《物理学评论》杂志,他的立场转变飞快,那时,他公开支持哥本哈根版理论的书才出版了四个月。

他把论文的校样派发给德布罗伊,玻尔,泡利和爱因斯坦,从德布罗伊处,他第一次了解到为什么德布罗伊要在1927年第五届索尔韦会议后不久就放弃“双解决方案”。从泡利处他收到有关理论在多粒子系统应用异议,但玻姆有信心可以解决这些问题。

1951年10月,因无法在美国或英国找到教职,玻姆离开普林斯顿流亡到巴西的圣保罗大学,爱因斯坦和奥本海默都提供了推荐信,也得到该校物理系主任莫拉雷斯Abrahão de Moraes的支持。在他的飞机滑上跑道,准备起飞时,飞行员宣布受命返回候机楼,因为发现有乘客的护照行李有异常,玻姆害怕以为自己会遭到第二次逮捕,但结果违规的乘客另有他人并被请下飞机。

玻姆的两篇论文于1952年1月发表,他从流亡地巴西关注着反应。费曼很支持,但奥本海默反映大多数人的心态,宣称玻姆的研究“不够成熟,离经叛道”,敦促大家“...如果我们不能反驳玻姆,那么我们只能同意不去理睬他。”(作者注:玻姆在1992年去世,但他的因果关系量子理论自有后来人。例如,海利最近拓展了玻姆理论的原结构,用克利福德代数Clifford algebra方法,以适应相对论效应。)

毫不奇怪,爱因斯坦并不倾心于玻姆的立场。他给波恩写信道:

“你注意到没有,玻姆相信德布罗伊那一套,再说,25 年前他能够用确定性解释清楚量子理论吗?对我来说,这样做太低级了。

回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/16 9:47:49    跟帖回复:
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美国理论物理学家玻姆David Bohm194211月加入共产党,1950124日被捕并被判无罪释放。1952年流亡巴西,1955年迁往以色列海法的以色列理工学院the Israel Institute of Technology美国当局已收回玻姆护照,他前往以色列前入了巴西籍。1957年夏天玻姆又一次迁徙,到英国布里斯托大学担任研究助理,后离开布里斯托,获得了伦敦大学伯克贝克学院the University of London's Birkbeck College教授,并在那里度过了余生。

回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/17 17:17:31    跟帖回复:
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第三十一章   伯特曼的袜子

1964年春   波士顿

玻姆不适应流放生活,他变得焦躁不安,并在1955年迁往以色列海法的以色列理工学院the Israel Institute of Technology。(作者注:美国当局已收回玻姆的护照,他前往以色列前入了巴西籍。)在那里,他遇到了阿哈罗诺夫Yakir Aharonov,22岁的杰出本科生,已作为一个特立独行的人已小有声誉。他们一起进一步细化玻姆版的爱因斯坦,波多尔斯基和罗森思想实验,于1957年5月送交出版。

玻姆还出版了另一本著作,其实就是他确定性方案的宣言,书名叫《现代物理的因果性和机会》。 德布罗伊写了前言。1957年夏天玻姆又一次迁徙,到英国布里斯托大学担任研究助理,后离开布里斯托,获得了伦敦大学伯克贝克学院the University of London's Birkbeck College教授,并在那里度过了余生。

尽管并非单打独斗,玻姆招募了一些有共同志向的追随者。虽然玻姆的确定性理论可以预测非相对论性量子力学,但物理学界主流已经转向,量子电动力学在1949年取得了胜利,物理学家们已经在集中研究核子量子理论。1954年杨振宁和米尔斯发表了他们的“亮丽想法”,盖尔曼和茨威格也于1963年引入了分数电荷三重态,介子和重子的成分-夸克和aces。

似乎从旧哲学难题的骨灰里扒不到多大好处,而且,玻尔不是在1935年已经把哥本哈根版理论说清楚了吗?冯•诺依曼不是也证明了所有隐变量理论原则上不可能成立吗?

但努力解释量子理论以及避不开的物理实在性质正准备上演惊天大转折,贝尔法斯特出生的欧洲核子中心的物理学家贝尔John Bell以极大的兴趣读了玻姆的1952篇论文。波函数崩溃和玻尔在量子物体实验观测与经典实验设备之间随意划下的边界充其量是个骗局,至少是欺诈。“以大概的论据创建的理论,”他若干年后写道,“不论有多近似,无疑带有假定性质。” ’

1952年他曾构思有关隐变量理论的一些想法,形成了他十二年后要写的论文基础,在离开欧洲核子中心,前往斯坦福线性加速器中心工作期间。(作者注:由于出错,这篇论文直到1966才发表在《现代物理评论》。)这些年里,贝尔对冯•诺依曼的不可能证明已酝酿了很深的保留意见。他在论文中辩称,证明取决于一个关键假设,而且还有效地应用到同时测量两个互补的物理量,需要完全不同的测量设备或单一测量设备的不同配置,由于这做不到。因此,同时进行测量也做不到。他的结论是,此证明实际上与冯•诺依曼要证明的问题不相干。

这意味着所有隐变量理论,定域和非定域都可再“公平”竞争一回,但当贝尔进一步调查,他随即发现这问题既简单又深刻,在《量子理论》一书中,玻姆曾断言:“..没有力学确定性隐变量理论可导向量子理论的所有结果。”

贝尔发现这个说法无比正确,他发现传统量子理论和基于定域隐变量修正之间的可选择性并不只是哲学倾向,这是个是非问题。

在他们1957年论文中,玻姆和阿哈罗诺夫把爱因斯坦,波多尔斯基和罗森思想实验落实到更接近实际现实。确实,论文的目的是声称相隔遥远的量子粒子之间测量非定域相关性的实验已经能作了。(作者注:我们会在下一个章详述)

在1964年前往斯坦福线性加速器中心之后,贝尔花了一些时间在麦迪逊Madison的威斯康星大学,又从那里再到波士顿附近的布兰迪斯大学Brandeis University。正是在访问期间,他有了洞察力,一下子完全改变了量子层面的实在本质问题。他得出了日后著名的贝尔不等式:“可能我把这个不等式从我的头脑中写到论文里只用了一个周末,但在前几周里,我一直在集中思考相关的问题,而在前几年里这些问题也一直不断徘徊在我的头脑里。”

贝尔的实验建立在玻姆和阿哈罗诺夫细化版本的爱因斯坦,波多尔斯基和罗森思想实验基础上。在氢分子分裂后,两个氢原子碎片分开,各自向相反方向运动。(作者注:玻姆和阿哈罗诺夫没有,贝尔也没有界定涉及的分子性质,只界定它拥有总自旋值为零。 尽管如此,我仍会继续参照氢分子示例。)氢原子A向左,氢原子B向右。现在贝尔想像把两个磁铁分置左右,设计用施特恩-格拉赫实验确定每个原子的自旋方向。

原子通过磁铁两极之间会偏向,偏向北极时向上(自旋增快)或偏向南极时向下(自旋减慢), 由于原子A与原子B之间已建立相关性,如果两个磁场是一致的,那预期有相反结果。如果原子A被发现是在自旋增快方向,那原子B会被检测出在自旋减慢方向,反之亦然。

贝尔然后把注意力转向定域隐变量理论的一个极端简单的例子,不仅会恢复因果关系和确定性,消除波函数崩溃,这些玻姆在1952年就已经做到了;而且将消除“怪异”遥感作用。任何此类理论都有定域实在locally real.的特点。前述示例中的氢原子被假设为具备单个或一些变量,预先决定了随后测量自旋的结果,这些变量不一定是在氢分子破碎时被确定,如果我们假设是,对我们了解在这个简单的例子里需要发生什么会有帮助。

然后想象一下,每个原子中存在一个隐藏的微小次原子表盘,有根指针。我们假设此指针可以指向任何方向,分子破碎时,每个分散的原子内的表盘指针(随机)设定,他们可以是表盘整个360°范围内的任何方向。不过,无论原子A的指针随机指向哪个方向,原子B的指针必须指向相反的(180°)方向,反之亦然,我们假定破碎过程的物理学要求这样。(我们可以把它称为指针对齐定律。)(作者注:实际上这就是角动量守恒定律。)

原子经分开的磁体两极间运动通过,为了简单起见,我们假设如果指针指向表盘上半部分的任意角度,决定原子的自旋增快和向上偏向磁铁北极。同样,如果指针指向表盘的下半部任意角度,则原子自旋减慢并向下偏向南极(见图20)。

这就是定域隐藏变量理论,不管其运作原理和方式,指针预先确定自旋测量结果,这样就再也不需要神秘的远距离超光速运行的影响力。它也是相对论性的常识理论:实验成果在氢分子破碎的瞬间即预定,测量仅仅告诉了我们结果数据。

如果发生两个磁场都一致对齐,都指向同一方向对准北极怎么办?如果原子A指针指向表盘上半部分的任何方向,结果是自转增快,我们定为“+”结果。原子B指针指向表盘下半部分的任何方向,预先确定一个自旋转减慢的结果,我们定为“−”结果。所得总结果的概率,我们定为P+−,只是原子A指针指向表盘上半部分的任何方向方向的概率,明显是50%,即上半部分的面积占表盘总面积之比。同理,概率P−+也是50%。

现在,贝尔推测,如果我们转动两个关联磁场之一的磁铁方向会怎么样?图21显示了转动用于检测影响原子B自旋的磁铁,从 45°依次到90°,再到180°,改变磁铁方向也改变了被识别为表盘的上半部的位置。概率P+−现在取决于两个原子表盘“上半部”的重叠部分。这重叠部分随着我们加大两个磁场轴间角度而缩小,当P+−下降为零时,磁体在相反的方向(180°)对齐。实际上随着P+−下降,获取两个原子自旋增快,偏向朝上结果的概率在增加。我们定这个概率为P++。

常规量子理论预测P+−为1/2cos2 (φ/2),φ指磁铁轴之间的角度。(作者注:我在不推导情况下用了这个结果。读者如有兴趣了解这结果如何得出,应咨询贝尔本人,见《物理论丛》杂志Journal de Physique Colloque,C2补编第3卷第42期,1981年第41–61页。)可以看出贝尔使用简单的隐变量理论预测P+−结果只在0°,90°,180°与量子理论一致,即P+−分别=50%,25%和0%。预测所有其他角度都有分歧,分歧最大的角度的在40°(见图22),定域隐变量理论预测P+−=38.9%,而量子理论预测 P+−=44.2%。

或许我们不应该过分埋怨这个结果,这是极粗糙的定域隐变量理论,肯定没有超越一个可能性,那就是,是否加点独创性就能构建更复杂的定域隐变量理论,可符合量子理论所有的预测?

答案是不能,我们做不到。这就是贝尔的发现。

自他最初发现大约十七年后,贝尔通过刻画一个叫伯特曼博士Dr Bertlmann的角色得出相同的结论(见图23),假设的确有这奇装异服之人,贝尔就这样有意把挂着自己名字的不等式与这种琐碎事情相提并论。他以这样的话语开场:

“街上的哲学家,并没有修过量子力学课程,对爱因斯坦-波多尔斯基-罗森的相关性相当不以为然,他可以举出在日常生活中相关性的许多类似例子。伯特曼袜子的例子经常被引用,伯特曼博士喜欢穿两只颜色不同的袜子,哪种颜色在哪个日子穿到哪只脚上非常难以预测,但当你看到第一只袜子是粉红色时,你可以确保第二只袜子不是粉红色。看清第一只,用心体会伯特曼的心理处境,随即就有了第二只袜子的信息。这跟品位没关系,但除了这点,也没有什么神秘可言。这不跟[爱因斯坦-波多尔斯基-罗森]相关性一样嘛?

让我们仔细看看这些声名狼藉的袜子的物理特性和表现,我们要推测这些袜子是怎么忍受严格地三种不同温度长时间清洗,我们以伯特曼左脚的袜子(袜子A)来做不同的测试。它们是:在温度a中洗一小时,在温度b中也洗一小时,在温度丙中再洗一小时。等一会儿,我们会对温度作出特定的选择。

我们检查在不同温度下洗完后袜子仍完好的数量(我们叫“+”结果)或者洗坏的数量(“−”结果)。(作者注:这个推导是基于贝尔在1981年原本使用的例子。)应用理论物理基础,我们可以找出测试中一些简单的完好袜子数量和洗坏袜子数量之间的关系,而不必动用真正的袜子和真正的洗衣机。

我们定在温度甲洗后完好的袜子数(+)和在温度乙洗坏袜子数(−)写成n(a+,b−),我们可以把个数量写成两个子集的总和。其中一个子集,温度a洗后袜子完好,温度b洗后袜子洗坏,温度c洗后袜子完好,我们写为n(a+,b−,c+)。 第二个子集中温度a洗后袜子完好,温度b洗后袜子洗坏,温度c洗后袜子洗坏,我们写为n(a+,b−,c−)。简单来说,被这两个子集点算过的袜子,也会在n(a+,b−)集被点算,同样n(b +,c−)集是n(a+,b+,c−)和n(a−,b+,c−)的总和。 如果把这两个结果加起来,我们会得到:

n(a+,b−)+n(b +,c−)=n(a+,b−,c+)+n(a+,b−,c−)+n(a+,b+,c−)+n(a−,b+,c−)

但子集n(a+,b−,c−)和n(a+,b+,c−)的总和就是n(a+,c −)的数量,因此我们得出n(a+,b−)和n(b +,c−)的总和大于或等于n(a+,c −)数量。(作者注:我们说大于或等于是因为子集留有n(a+,b−,c+)和n(a−,b+,c−)不一定都等于零。)

我们带着满足感歇一歇,然后又注意到我们的逻辑有漏洞。当然,如果袜子在温度b被洗坏,那根本不会进入温度c再洗,如果袜子在温度a或b洗后完好,那么温度c洗后结果也许可忽略不计,可以预料,那袜子没穿过。

唔……

然后我们又想起,伯特曼的袜子应该成对,我们假定,除颜色的差异外,每个袜子的物理特征和表现也成双成对。检查左脚袜子的结果可以用于预测同样方法检查右脚的袜子(袜子B)结果,即使我们用不同的方法检查袜子B。也必须进一步假设,无论我们的选择什么方法检查袜子A,不可能影响任何其他方法检查袜子B的结果。看上去毫无疑问,不用多想。

第二个实验中,每对袜子的袜子A用温度 b洗和袜子B用温度c洗。我们使用相同的推理推断N+−(b ,c)等于n(b +,c−)。最后,在第三个实验,每对袜子的袜子A用温度a洗,袜子B用温度c洗,因此,N+−(a ,c)必定等于n(a +,c−)。

现在方向清楚了,我们可以利用上述结果获得结论,N+−(a,b)和N+−(b ,c)的总和大于或等于N+−(a ,c)。

现在我们可以概括任何数量袜子的结果。用上述每个表达式除袜子总数,每个实验用袜子的总数相同,我们可以确定相对的概率,得出合成的结果。我们可以用这些相对概率核对未来实验中获取结果的概率。我们必然得出的结论,总概率P+−(a,b)和P+−(b,c)必定大于或等于概率P+−(a,c)。这是贝尔不等式的形式之一。

这个结果与量子物理学无关,不论是哥本哈根版理论或隐变量。这是一个简单的事实结论,由袜子(a,c)组合推演出的非此即彼(+−)的结果,原则上必定可以在(a,b)组合和(b,c)组合推演出同样的非此即彼结果。

现在采用上述论据再过一遍,把袜子换成氢原子,成对的袜子换成相关成对的原子,洗衣机换成磁铁,水温度换成磁铁方向,我们会再次得出贝尔不等式。

那有什么了不起的?了不起的是,常规的量子理论预测得到的概率关系类似P+−(a,b)=1/2cos2 (φ/2),其中a和b现在是磁体方向,角度φ=(b−a)。我们完全可以自由选择三个磁铁方向中任何一个,如果我们设定a =0°,b=135°和c=270°,我们发现贝尔不等式坚持1/2cos2 (67.5°)+ 1/2cos2 (67.5°)必定大于或等于1/2cos2 (135°)。

这看上去很合理,直到我们做算术时才意识到,这意味着0.146(14.6%的组合概率)必定大于或等于0.250(25%的组合概率)。

结论不可避免,量子理论预测的结果不符合贝尔不等式。

在导向不等式推理中我们最重要的假设是确定原子自旋方向的隐变量是定域实在,我们假定对原子A进行测量时不以任何方式干扰原子B是可能的。这个结果因此完全独立于定域隐变量理论本身的性质。贝尔断定,有可能找到量子理论不相容于任何定域隐变量理论,进而不相容于定域实在的实验测量装置。这就是贝尔定理;“如果[隐变量]范围是定域的,将不符合量子力学,如果符合量子力学,就不是定域的。定理就这么说。”

他这样总结1964年的论文:

“理论上有参数添加到量子力学以确定单个实验测量的结果,而又不改变统计预测,就必定存在这样一个机制,其设定一个测量装置能影响到另一个实验仪器的读数,不管距离隔多远。此外,涉及的信号必须在瞬间传播到,所以,这种理论不[符合狭义相对论]。”

当然,除非爱因斯坦,波多尔斯基和罗森在1935年所宣称的量子理论确实不完整,实在有局限reality is local。在这种情况下贝尔不等式提供了一个直截了当的测试。如果以上描述的实验实际上真能在实验室进行,其结果能让我们判断对错,是量子理论还是基于定域隐变量的范围。

回帖人: | 只看此人 | 不看此人 | 2012/2/17 17:23:48    跟帖回复:
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20在定域隐变量简单的例子中,我们假设分子破碎时,每个分散的原子内有表盘指针,预设了原子内电子自旋方向,破碎的物理过程确保每个原子的指针必须指向相反的方向。指针指向表盘上半部分的任何位置表示检测自旋增快,指针指向表盘下半部分中任何位置表示检测自旋减慢。两个指针取向共同表示 “+”结果。

 

21随着第二列用于检测影响原子B自旋磁铁的转动,改变了被识别为表盘上半部的位置,表盘指针的方向没变,但获得“”结果的概率下降了,因为这取决于两个原子表盘“上半部”的重叠部分。这重叠部分随着我们加大两个磁场轴间角度而缩小,从45°90再到180°当磁体转到相反的方向(180°)时,根本没有重叠部分了,出现“”结果的概率为零。相反,出现了“++”结果,两个原子都记录下了自转增快方向。

 

221964年贝尔使用简单的隐变量理论预测P+结果只在90°180°与量子理论一致,即P+分别=50%,25%和0%。预测所有其他角度都有分歧,最大的分歧在40°140°

23伯特曼的袜子和实在的本质。 授权重印自(巴黎)《物理论丛》杂志,C2补编第3卷第42期,1981年第41–61页。

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