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大统一理论(grand unified theories,GUTs)

时间:2010-05-20 14:50:38  来源:  作者:

大统一理论(grand unified theories,GUTs)。试图用同一组方程式描述全部粒子和力(强相互作用、弱相互作用、万有引力、电磁相互作用四种人类目前所知的所有的力)的物理性质的理论或模型的总称。这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理,或TOE。
  这并非完全荒唐可笑的梦想,因为在统一物理学家对物质世界的描述方面已经取得了相当成就。就在19世纪中叶,电和磁还被看成是两种独立的事物,但麦克斯韦研究证明它们实际上是现在叫做电磁现象的同一种基本相互作用的两个方面,可以用同一组方程式加以描述。到20世纪中叶前,这一描述又改进到包括了量子力学效应,并以量子电动力学(QED)形式成为物理学家提出过的最成功的理论之一,它以极高精度正确预言了诸如电子等带电粒子相互作用的性质。
  地球上的物体不管形状、大小如何,最终总要乖乖地落到地面上,原因是什么?天空中地球围绕太阳转、月亮围着地球转,原因又是什么?科学家牛顿经过艰苦的思索和研究,找出了统一的理论——万有引力。不论是地球上的物体,还是天空中的天体,都可以用万有引力来解释它们的运动。关于热现象人们总结出热学理论,关于电磁现象人们也总结出电磁场理论,物理学的各部分内容就是总结各种不同运动形式的规律和理论。这些规律之间能不能再总结出更基本的规律,解释更广泛的内容,这一直是物理学家关心的问题。
  现在,人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力,它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。进一步研究四种作用力之间联系与统一,寻找能统一说明四种相互作用力的理论称为大统一理论。
  霍金在他的《时间简史》中坦言,当今世界上可能会有些人在有生之年,发现大统一理论。但这个大统一理论并不是爱因斯坦最初想的大统一理论,不可能通过一个简单的美妙的公式来描述和预测宇宙中的每一件事情。因为宇宙是确定性和不确定性相互统一的,量子理论中测不准原理体现了不确定性。
 


 ■力的发现和本质:
  引力:万有引力,乃任何有质体(即有质量之物)之间的相互吸引力。牛顿发现所有的东西一旦失去支撑必然会坠下,继而他发现任何两物体之间都存在着吸引力,而这引力更与距离的平方成反比,总结出万有引力定律。
  电磁力:电磁相互作用力乃是带电荷粒子或具有磁矩粒子通过电磁场传递着相互之间的作用。 法拉第发现了某种具有深远意义的事情——尽管表面现象不同,但是电和磁仅仅是同一个基本现象的不同的方面。 1861年,苏格兰理论家詹姆斯·麦克斯韦成功地把法拉第的发现转换成数学语言。其成果就是现在著名的麦克斯韦电磁方程组。这些方程阐明了电与磁实质上的统一性。
  强相互作用力:强相互作用力乃是让强子们结合在一块的作用力,人们认为其作用机制乃是核子间相互交换介子而产生的。 1973年,维尔切克,格罗斯,波利策三位物理学家用完美的数学公式提出了一种新理论。乍一看,他们的理论是完全矛盾的,因为对他们的数学结果的解释表明,夸克间的距离越近,强作用力越弱。当夸克间彼此非常接近时,强作用力是如此之弱,以至它们的行为完全就像自由粒子。物理学家们将这种现象称为“渐近自由”,即渐近不缚性。反过来也是正确的,即当夸克间的距离越大时,强作用力就越强。这种特性可用橡皮带的性质来比喻,即橡皮带拉得越长,作用力就越强。 渐近自由理论解释了质子和中子的成分夸克为何从来都不会分离。这一发现导致了一个全新的理论——量子色动力学的诞生。这一理论对标准模型有着重要的贡献。标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象,但它并没有包括重力。在量子色动力学家的帮助下,物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子。在质子和中子中,夸克总是像“三胞胎”一样出现。
  弱相互作用:上个世纪末,在发现β衰变的时候,关于弱相互作用是一个不同的物理作用力的想法,其演化是很缓慢的.只有当实验上发现了其它弱作用,如μ衰变,μ俘获等等,并且理论上认识到所有这些作用能够近似地用同一个耦合常数来描述之后,这一看法才变得明朗起来,才产生了普适的弱相互作用的看法.只有在此之后,人们才慢慢地认识到,弱相互作用力形成一个独立的领域,或许可与万有引力,电磁力和强作用核力及亚核力等等量齐观. 最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用,其力程最短,其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差,许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏(见对称性和守恒定律),例如宇称守恒在弱作用下不成立。弱作用的理论是电弱统一理论,弱作用通过交换中间玻色子(W+/-,Z)而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变,弱衰变粒子的平均寿命大于10-13s。
  事实上,物质的原始形态应该是非常简单的,就象计算机运用二进制排列组合编制程序一样。这样想来,我们就可以不受许多现象的影响,寻找物质本质性的东西。我们知道物质都是有原子组成的,原子又是有质子和电子组成的。因为中子可分解成质子和电子,我们暂且认为它不存在,至此我们已经有了两个物质基本形态,但还不足以编排出我们所知道的大千世界。现代物理学认为有四种基本力存在:一是质子带正电,电子带负电,它们通过电磁力相互作用;二是所有物质之间有万有引力;三是大多数基本粒子通过弱相互作用力结合在一起;四是原子核内的粒子通过强相互作用力结合在一起,这些力都是看不见摸不着的,我们暂且认为它们是物质的表面现象,是不存在的东西。那么这些力是怎样产生的?基本粒子质子和电子都有粒子的性质和波的性质,这种波又是怎样产生的?朝向阳光我们观察空气中漂浮的尘埃,尘埃在空气中并不走直线,而是在空气中做布朗运动。我们可以联想一下,质子和电子会不会也是在一种气体中做布朗运动,形成概率波。如果真是这样的话,真空中一定还有一种粒子,我们把它取名叫易子,易子是有质量的。这样我们现在已经有了三种基本粒子,那么,这三种粒子又是怎样相互作用表现出我们已知的四种力呢?首先让我们看一下力的本质是什么:实验用小滚珠做易子模型,把装有滚珠的杯子拿到秤盘上方5cm处,把1粒滚珠倒在秤盘上,秤的指针会摆动一下,再在相同的高处把100粒或者更多的滚珠持续快速地倒在秤盘上,如图,秤的指针会在一个位置附近摆动。这说明大量滚珠撞击秤盘,对秤盘产生了持续的、均匀的压力。在一定的时间内,碰撞的滚珠越多,对秤盘产生的压力越大。如果使这些滚珠从更高的位置倒在秤盘上,可以观察到秤的指针指示的压力更大。这表明,滚珠的动能越大对秤盘产生的压力越大。力产生的本质原因找到了,万有引力、电磁力、弱相互作用力、强相互作用力产生的原因也就找到了,也就是说这四种力都是由粒子碰撞产生的。

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