高能物理學

高能物理學

高能物理學又稱粒子物理學或基本粒子物理學,它是物理學的一個分支學科,研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構性質,和在很高的能量下,這些物質相互轉化的現象,以及產生這些現象的原因和規律。它是一門基礎學科,是當代物理學發展的前沿之一。粒子物理學是以實驗為基礎,而又基于實驗和理論密切結合發展的。

  • 中文名稱
    高能物理學
  • 原子概念
    最具科學性的理論形態
  • 詞    性
    名詞
  • 又    稱
    粒子物理學

理論發展歷史

原子概念

原子論是元素派學說中最簡明、最具科學性的一種理論形態。英國自然科學史家丹皮爾認為,原子論在科學上"要比它以前或以後的任何學說都更接近于現代觀點"。原子論的創始人是愛利亞人(一說阿布德拉人)留基波,他是德謨克利特的老師。古代學者在論及原子論時,通常是把他們倆人的學說混在一起的。由于留基波生平不詳,且其學說也為德謨克利特發展和完善,因此德謨克利特被公認為原子論的主要代表。

德謨克利特認為,萬物的本原或根本元素是"原子"和"虛空"。"原子"在希臘文中是"不可分"的意思。德謨克利特用這一概念來指稱構成具體事物的最基本的物質微粒。原子的根本特徵是"充滿和堅實",即原子內部沒有空隙,是堅固的、不可入的,因而是不可分的。德謨克利特認為,原子是永恆的、不生不滅的;原子在數量上是無限的;原子處在不斷的運動狀態中,它的惟一的運動形式是"振動";原子的體積微小,是眼睛看不見的,即不能為感官所知覺,隻能通過理性才能認識。

證實原子

1897年,湯姆遜在實驗中發現了電子,1911年盧瑟福由α粒子大角度彈性散射實驗,又證實了帶正電的原子核的存在。這樣,就從實驗上證明了原子的存在,以及原子是由電子和原子核構成的理論。

1932年,查德威克在用α粒子轟擊核的實驗中發現了中子。隨即人們認識到原子核是由質子和中子構成的,從而得到了一個所有的物質都是由基本的結構單元--質子、中子和電子構成的統一的世界圖像。

基本粒子

就在這個時候開始形成了現代的基本粒子概念。1905年,愛因斯坦提出電磁場的基本結構單元是光子,1922年被康普頓等人的實驗所證實,因而光子被認為是一種"基本粒子"。1931年,泡利又從理論上假設存在一種沒有靜止質量的粒子--中微子(嚴格地講是反中微子,中微子的存在是1956年由萊因斯和科恩在實驗上證實的)。

相對論量子力學預言,電子、質子、中子、中微子都有質量和它們相同的反粒子。第一個反粒子--正電子是1932年,安德森利用放在強磁場中的雲室記錄宇宙線粒子時發現的,50年代中期以後陸續發現了其他粒子的反粒子。

相互作用

隨著原子核物理學的發展,發現除了已知的引力相互作用和電磁相互作用之外,還存在兩種新的相互作用--強相互作用和弱相互作用。

1934年,湯川秀樹為解釋核子之間的強作用短程力,基于同電磁作用的對比,提出這種力是由質子和(或)中子之間交換一種具有質量的基本粒子--介子引起的。1936年,安德森和尼德邁耶在實驗上確認了一種新粒子,其質量是電子質量的207倍,這就是後來被稱為μ子的粒子。μ子是不穩定的粒子,它衰變成電子、一個中微子和一個反中微子,平均壽命為百萬分之二秒。

對稱理論

湯川最初提出的介子的電荷是正的或負的。1938年,凱默基于實驗上發現的核力的電荷無關性的事實,發展了稍早些時候出現的同位旋的概念,建立了核力的對稱性理論。

1947年,孔韋爾西等人用計數器統計方法發現μ子並沒有強作用。1947年鮑威爾等人在宇宙線中利用核乳膠的方法發現了真正具有強相互作用的介子,其後,在加速器上也證實了這種介子的存在。

更多發現

從此以後人類認識到的基本粒子的數目越來越多。就在1947年,羅徹斯特和巴特勒在宇宙線實驗中發現v粒子(即K介子),這就是後來被稱為奇異粒子的一系列新粒子發現的開始。由于它們獨特的性質,一種新的量子數--奇異數的概念被引進到粒子物理中。在這些奇異粒子中,有質量比質子輕的奇異介子,有質量比質子重的各種超子。在地球上的通常條件下,它們並不存在,在當時的情況下,隻有借助從太空飛來的高能量宇宙線才能產生。

這些發現了的基本粒子,加上理論上預言其存在,但尚未得到實驗證實的引力場量子--引力子,按相互作用的性質,可分成引力子、光子、輕子和強子四類。為了克服宇宙線流太弱這個限製,從50年代初開始建造能量越來越高、流強越來越大的粒子加速器。實驗上也相繼出現了新的強有力的探測手段,如大型氣泡室、火花室、多絲正比室等,開始了新粒子的大發現時期。

粒子分類

到了60年代頭幾年,實驗上觀察到的基本粒子的數目已經增加到比當年元素周期表出現時發現的化學元素的數目還要多,而且發現的勢頭也越來越強。1961年,由蓋耳-曼及奈曼類比化學元素周期表提出了,用強相互作用的對稱性來對強子進行分類的。

八重法分類不但給出了當時已經發現的強子在其中的位置,還準確地預言了一些新的粒子,如1964年用氣泡室實驗發現的Ω粒子。八重法很好地說明粒子的自旋宇稱、電荷、奇異數以及質量等靜態性質的規律性。

在此階段中,證實了不單電子,所有的粒子,都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一個帶電的反超子是由中國的王淦昌等在1959年發現的。此外,還發現了為數眾多的壽命極短經強作用衰變的粒子--共振態

建立體系

基本粒子大量發現,使人們懷疑這些基本粒子的基本性。基本粒子的概念,面臨一個突變。

20世紀40年代到60年代,對微觀世界理性認識的最大進展是量子力學的建立。經過一代物理學家的努力,量子力學能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收及輻射等等現象,特別是當它同狹義相對論結合而建立相對論性量子力學以後,它已經成為微觀世界在原子、分子層次上的一個基本理論。

但是,量子力學還有幾個方面的不足:它不能反映場的粒子性;不能描述粒子的產生和湮沒的過程;它有負能量的解,這導致物理概念上的困難。量子場論是由狄喇克、約旦、維格納、海森伯和泡利等人在相對論量子力學的基礎上,通過場的量子化的途徑發展出來的,它很好地解決了這三個問題。

庫什和福裏1947年發現的電子反常磁矩,和由蘭姆等發現的氫原子能級的分裂,隻有通過量子電動力學的重正化理論才能得到正確的解釋。今天,量子電動力學已經經受了許多實驗上的驗證,成為電磁相互作用的基本理論。

並非所有的基本粒子都是"基本"的想法,最早是在1949年由費密和楊振寧提出的。他們認為,介子不是基本的,基本的是核子,而介子隻是由核子和反核子構成的結合態。1955年,坂田昌一擴充了費密和楊振寧的模型提出了強子是由核子、超子和它們的反粒子構成的模型。

誇克命名

1961年,在實驗上發現了不少共振態。1964年,已發現的基本粒子(包括共振態)的種類增加到上百種,因而使得蓋耳-曼和茲韋克提出,產生對稱性的基礎就是構成所有強子的構造單元,它們一共有三種,並命名為誇克。

20世紀60年代以來,在宇宙線中、加速器上以及在岩石中,都進行了對誇克的實驗找尋,但迄今還沒有被確證為成功的報道。在60年代和70年代,有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。雖然在這些加速器上沒有找到誇克。但卻得到了間接的,但是更有力地說明誇克存在的證據。

與強子的數目急劇增加的情況相反,自從1962年利用大型火花室,在實驗上證實了兩類中微子之後,長時間內已知的輕子就隻有四種,但是到了1975年情況有了改變,這一年佩爾等在正負電子對撞實驗中發現了一個新的輕子,它帶正電或帶負電,達質子的兩倍,所以又叫重輕子。與它相應,普遍相信應有另一種中微子存在,但是尚未得到實驗上的證實。

誇克理論提出不久,就有人認識到強子的強相互作用和弱相互作用的研究應建立在誇克的基礎上,同時還要充分考慮強子的結構特徵和各種過程中的運動學特點,才能正確地解釋強子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動態性質。1965年,中國發展的強子結構的層子模型,就是這個方向的首批研究之一。層子的命名,是為了強調物質結構的無限層次而作出的。在比強子更深一層次上的層子,就是誇克。近20年來,粒子物理實驗和理論發展的主流,一直沿著這個方向,在弱作用方面,已有了突破性的進展,在強作用方面,也有重大的進展。

最早的弱相互作用理論,是費密為了解釋中子衰變現象在1934年提出來的。弱作用宇稱不守恆的發現,給弱作用理論的研究帶來很大的動力。隨後不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應當具有的形式,而且適用于所有的弱作用過程,被稱為普適費密型弱相互作用理論。

統一理論

1961年,格拉肖提出電磁相互作用和弱相互作用的統一理論。這個理論的基礎,是楊振寧和密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規範場論。但是在這個理論裏,這些粒子是否具有靜止質量、理論上如何重正化等問題,沒有得到解答。

1967~1968年,溫伯格、薩拉姆闡明了作為規範場粒子是可以有靜止質量的,還算出這些靜止質量同弱作用耦合常數以及電磁作用耦合常數的關系。這個理論中很重要的一點是預言弱中性流的存在,而當時實驗上並沒有觀察到弱中性流的現象。由于沒有實驗的支持,所以當時這個模型並末引起人們的重視。

1973年,美國費密實驗室和歐洲核子中心在實驗上相繼發現了弱中性流,之後,人們才開始對此模型重視起來。在1983年,魯比亞實驗組等在高能質子-反質子對撞的實驗中發現的特徵同理論上期待的完全相符規範粒子,這給予電弱統一理論以極大的支持,從而使它有可能成為弱相互作用的基本理論。

現狀

目前,粒子物理已經深入到比強子更深一層次的物質的性質的研究。更高能量加速器的建造,無疑將為粒子物理實驗研究提供更有力的手段,有利于產生更多的新粒子,以弄清誇克的種類和輕子的種類,它們的性質,以及它們的可能的內部結構。

弱電相互作用統一理論日前取得的成功,特別是弱規範粒子的發現,加強了人們對定域規範場理論作為相互作用的基本理論的信念,也為今後以高能輕子作為探針探討強子的內部結構、誇克及膠子的性質以及強作用的性質提供了可靠的分析手段。在今後一個時期,強相互作用將是粒子物理研究的一個重點。

電磁作用、弱作用和強作用統一起來的大統一理論,近年來引起相當大的註意。但即使在最簡單的模型中,也包含近20個無量綱的參數。這表明這種理論還包含著大量的現象性的成分,隻是一個十分初步的嘗試。它還要走相當長的一段路,才能成為一個有效的理論。

另外從發展趨勢來看,粒子物理學的進展肯定會在宇宙演化的研究中起推進作用,這個方面的研究也將會是一個十分活躍的領域。

很重要的是,物理學是一門以實驗為基礎的科學,粒子物理學也不例外。因此培養物理學人才將是意義深遠的。(例如:丁肇中熱心培養中國高能物理學人才,經常回國選拔年青科學工作者去他所領導的小組工作;並受聘為中國科學院高能物理研究所學術委員會委員。)

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