时间简史Elementary Particles and the Forces of Nature－5

A Brief History of Time—-Stephen Hawking

 

5-Elementary Particles and the Forces of Nature

 

亚里士多德认为宇宙由4种元素组成：泥土，空气，火和水，它们在重力和上浮力的2种作用力下运动，他又认为物体可以无穷尽的分割下去。1803年英国化学家John Dalton提出，化学成分由原子（atom）为基点的分子（molecules）组成。20世纪后英国科学家James Chadwick发现物质由不带电的中子（neutron)，带正电的质子(proton)和带负电的电子(elctron)组成。

 

60年代美国物理学家Murray Gell-Mann发现质子和中子由更小的物质叫quark（夸克）组成。科学家们发现一共有6种不同的quarks, 质子和中子各自含有3个不同的quarks，其他由不同quark组成的物质并不稳定，会很快转化（decay）成质子和中子。

 

根据Quantum Mechanics （量子理论），任何微观物质都可以用波／粒子（duality）来描述。粒子有一个内在特性：自转(spin)，共有4种不同自转形式，spin 1/2, spin 0, spin 1 and 2。所有可知物质可以归纳成2类：组成宇宙物质的spin 1/2， 和在微观物质之间交换能量的spin 0, 1 and 2。

 

1928年，科学家Paul Dirac指出，组成宇宙的具有spin 1/2 特性的electron应该有一个伙伴anti-electron。现在我们知道，一个粒子如果碰撞它的anti粒子，两个粒子会同时毁灭。那么是什么原因造成我们的宇宙有比anti粒子更多的粒子呢？这个问题关系到我们人类的生存。

 

量子力学认为，带有内在spin 0, 1 and 2的微观粒子负责物质内在力的交换，譬如，一个电子发出一个带有一定力的微观粒子（force-carrying particle)，它的回冲力导致这个物质本身的速率改变，而这个放射出的微观粒子和其他物质碰撞，它的力被这个物质吸收，同时它们的碰撞也改变了这个物质的速率。从外观来看，两个物质之间通过各自速率的改变而进行了力的交换。

 

我们人为地把微观粒子的力分成4类：

 

1）万有引力：具有广泛性，存在于每一个粒子，是一个吸引力。由于微观粒子的质量非常小，这个力通常可以忽略不计。然而在星球之间，这个引力可以非常大，这也是为什么地球围绕太阳旋转的原因。

 

2）电磁场力：这个力仅作用于带有正负电荷的物体上，没有正负极的物体没有电磁力。在微观世界中，它比万有引力要大很多，一个电子受到的电磁力大约比万有引力大1 million million million million million million million (1 后42个0）。正负极之间相互吸引，正正极或负负极则相互排斥。这个电磁场力导致电子围绕质子旋转。

 

3）弱核力（the weak nuclear force）：表现在含有spin 1/2的物质的辐射能力。

 

4）强核力（strong nuclear force）：这个强核力在中子和质子中把quarks结合在一起，在原子核中把中子和质子结合在一起。实验显示，在高能量下，这个强核力会大大减弱，导致quarks 和 gluons接近于自由运动。

 

科学家们把电磁场力，弱核力和强核力结合起来建立大统一理论（Grand Unified Theory GUT），认为 在高能量下，强核力变弱，电磁场力和弱核力变强，在某一高能量位点，这3种力在数值上达到一致而变成同一种力，同时在这个高位点，quarks和其他如电子，质子等，也变的彼此相似，达到结构的统一。

 

这个大统一理论最有趣的预言在于，在普通物质中具有相当比例的质子，可以自动转化为更轻的物质比如反电子antielectrons，进而质子decay。反过来推测，宇宙在开始的高温阶段，粒子能量高到某一点时会把anti质子转化为质子，更进一步说，把antiquarks 转化为quarks，从而产生更多的中子，质子和电子等。我们的地球，主要由中子和质子构成，而没有anti质子和anti中子。想象一下，如果中子和anti中子数量对等，两组相互碰撞发出高能量辐射，而后两者互相毁灭，就不会有我们现在的宇宙和地球。

 

直到1956年，科学家认为物理学遵循3条独立的对称法则C,P,T。对称法则C认为，物理法则同时适用于粒子和anti粒子。对称法则P认为，物理法则同时适用于各种状态下的物质和它的镜面形象（mirror image）。对称法则T认为，如果对一个粒子和它的anti粒子的运动轨道反向逆转，整个系统会回到它的起始状态，也就是说，物理法则同时适用于时间的前移和后推。

 

1956年，美国物理学家李政道和杨振宁提出弱核力并不遵循对称法则P，也就是说，由弱核力导致的宇宙发展方向跟它镜面的发展方向并不完全一致。同年，吴振雄证明了他们的理论，李政道和杨振宁因此获诺贝尔奖。

 

大统一理论并不包括万有引力。在我们研究微观物质时，万有引力非常之小，可以忽略不计。但是，万有引力是天体宇宙进化的主要力量，在宇宙空间远远大于其他力量，造成星球之间的相互吸引并可能最终吸引在一起。下一章我们要结合万有引力和量子力学来讨论黑洞理论。