原子核内粒子的弱相互作用导致了原子核的不稳定性,同时控制着原子核的衰变或放射性,被称为β衰变。
1933年,费米建立的β衰变理论把粒子间的相互作用延伸到弱相互作用,从而开辟了弱相互作用的研究。当时,费米的弱相互作用理论在低能情况下非常成功,但在高能状况下该理论并不完全适用。
说起来弱电统一理论和我们华裔的科学家还是非常有缘分的,1954杨振宁和米尔斯共同提出了杨米尔斯理论将电磁场的局域规范对称性推广到了非阿贝尔群。
杨氏理论是基于SU(N)组的一种量规理论,或者更普遍地说,是一个紧凑、半简单的李群。杨振宁米尔斯理论旨在描述基本粒子的行为使用这些非阿贝尔李群和统一的核心的电磁和弱力(即U(1)×SU(2))以及量子色动力学理论的强力(基于SU(3))。从而形成了我们对粒子物理标准模型理解的基础。
李政道,杨振宁在分析最轻的奇异粒子衰变时遇到了难题,提出弱作用下宇称(P)可能不守恒的假说。这个假说1957年被吴健雄等人的实验及其他实验证实。
这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这一发现促使人们注意到弱相互作用和电磁相互作用之间有某种共同点,从而进一步考虑两者之间的统一性。
美国科学家格拉肖,他是最早涉足于弱相互作用力和电磁力统一研究工作的。要知道,若相互作用力只有电磁力强度的千分之一,它们是两种完全不同的自然力,这是一种常识问题。
但是科学的最终目的就是要打破常识,这两种相互作用力虽然看似没有什么相似之处,但是从数学的角度对他们进行分析的话,就可以发现他们在某一些方面并不是没有任何共同点的。
这一角度就是规范场,以及杨米尔斯方程。通过这样的方式,他们搭建起了弱相互作用力和电磁力之间沟通的桥梁。
但格拉肖无法解释的是:弱力的作用非常微小,传递弱力的粒子却很重,它的质量约为质子质量的几十倍到百倍。为何“传递子“具有那么巨大的质量呢?
这里可能就需要提到另外一个问题了,四种相互作用并不是凭空产生的,他们需要各自的传递例子才可以发挥作用。
在量子场论中,描述每种相互作用都有传递粒子,比如强力的传递粒子是胶子,弱力的传递粒子是w玻色子和z玻色子,引力的传递粒子是引力子(引力子还未被证实),而电磁力的传递粒子是光子。
美国科学家温伯格在研究自然力的统一问题时也遇到了同样的问题,他注意到英国物理学家赫格斯在一篇论文中的论述:利用真空的某些性质可使本来没有质量的规范场获得质量。
温伯格受到很大启发,运用这种思路在1967年成功地把弱力和电磁力统一起来。
然而问题是他的理论具有非常大的局限性,并不能满足格拉肖。于是她就将这种概念进行了推广,进而将电磁力与弱相互作用力之间的这种联系推广到了所有的基本粒子。
弱电统一理论中预言了弱中性流的存在,即在反应过程中入射粒子和出射粒子之间没有电荷交换,但当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。1973年,美国费米实验室和欧洲核子中心在实验中相继发现了弱中性流,弱电统一理论引起了重视。
弱电统一理论认为:若相互作用力和电磁力,其实是同一种力,只不过由于某一种原因,他们表现出了完全不同的性质。
为了证明这一个理论,人们就需要像当初寻找上帝粒子——希格斯粒子那样,在实验中寻找产生弱作用传播子W±和Z0。
这就要求:对撞的粒子必须具有足够高的能量,以便有可能产生重质量粒子W±和Z0;碰撞的次数必须足够多,才会有机会观测到极为罕见的特殊情况。
当然也要求我们的观测手段必须尽可能的先进,分析手段尽可能的完善,才有可能不错过这个现象。
鲁比亚建议将欧洲核子中心(CERN)最大的质子同步加速器(SPS)作为正反质子的储存环。质子束和反质子束在储存环中沿相反方向作环形运动,然后在特定位置相互碰撞。
在SPS存储环的周边上安排有两个碰撞点,碰撞点周围装有巨大的探测系统,可以记录碰撞生成的粒子的信息,从而进行寻找弱作用传播子W±和Z0(也称为中间玻色子)的实验。
范德梅尔提出了随机冷却的方法,可以使粒子束得到“冷却”提高束流密度,进而提高对撞机的亮度,使实验发现W±和Z0粒子成为可能。
1983年1月20-21日,在欧洲核子中心的质子-反质子对撞机上工作的两个实验组分别宣布发现了特性与弱电统一理论所期待的完全相符的(W±)。
由于产生Z0的机会要比产生W±的机会小10倍,在花费4个月时间后想办法将加速器束流的亮度提高了10倍。1983年5月4日,鲁比亚的实验组终于找到了Z0的第一个事例。W±和Z°粒子的发现及其性质最终确定了弱电统一理论的正确性,对揭示弱作用本质有重大意义。
弱电统一理论使现存的四种基本相互作用实现了部分统一。尽管弱电统一理论距离爱因斯坦所设想的包括引力场在内的统一场论还很远,但终究使人类在揭示自然奥秘的征途中又前进了一大步。
如果想要迈进物理学这个领域的话,大统一理论毫无疑问也会是他的梦想之一,但是现在谈论那个,还是有些太过遥远,他目前要想办法利用弱电统一理论,来完成自己的设想。
当然,考虑到我们目前在基础科学领域是弱项,所以他以后少不了要和欧洲原子能打交道,以后可能经常要往法国还有瑞士了。
如果乐观一点儿,也许他可以自己建一个加速器,但是以他目前的财力来说,这个还是只能在梦里想一想,这种级别的工程,以他一个公司的财力来说,很难完成。需要国家级别的支持才可以。
当然那都是后话了,以他目前的研究来说,还用不到那些。他现在主要还是停留在理论阶段,如何设计一个模型,在这个模型的框架内,通过电磁力和弱相互作用力的联系,将电能以核能的形式储存在放射性物质中。
在需要使用的时候,再通过合适的装置将这种核能释放出来,以磁力的形式转化为电能。
当然这里面可能会涉及到利用电磁力对改变进行加速的模型,这一块儿他还没有什么头绪,也许他需要一些灵感,如果能够重启一下,那些实验就更好了。