弱相互作用

弱相互作用

尽管强相互作用的发现极具戏剧性，但它还不是20世纪30年代第一个被发现的新的相互作用。1933年，费米，也就是后来用中子轰击铀（具有极其重大的影响)的人，对狄拉克所做的关于电磁相互作用的研究工作产生了兴趣。为了描述光子在电磁相互作用中被释放的方式，狄拉克提出了反物质的概念。

这使费米想到，中子放出电子和中微子的方式，与粒子放出光子的方式，在数学上也许可以用相同的方法处理。他通过数学计算得出了结论，但是结果表明，这种相互作用与控制光子释放的电磁相互作用有很大差别。这种新的相互作用，最初被称为费米相互作用，比电磁相互作用弱得多。事实上，它的强度只有电磁相互作用的百亿分之一。（低于后来发现的强相互作用强度的万亿分之一。)

费米相互作用的力程非常短，只有在原子核宽度千分之一的距离内才能感受到。因此，它在原子核内所起的作用不值一提，但对于单个粒子来说却很重要。它是一种次级核相互作用（从某种意义上说，它是仅涉及亚原子粒子的一种次级短程相互作用)。自从汤川理论被接受后，人们便开始谈论强核相互作用和弱核相互作用，并用后者替代了早期的费米相互作用。

然而，出于对文字节约的兴趣，我提议将“核”字省去，而科学家们也开始把它们称为强相互作用和弱相互作用。

（最后提到的这一点，按照我的想法，并不完全合适。虽然弱相互作用要比强相互作用和电磁相互作用弱得多，但是，不管怎么说，它的强度却相当于引力相互作用的10²⁸倍。只有引力相互作用才真正有资格享有“弱”的美称。)

（在这一点上，我也许仍是错的。因为我们真正了解的只是那些与具有巨大质量的地球及其他天体有关的引力相互作用，而无法考虑对于粒子来说非常微弱的引力相互作用，更不用说亚原子了。因此，只能将引力的微弱作用抛之脑后。而事实上，假如我们能够积聚足够的质量，并将它们压缩成足够小的体积，那么所产生的总的引力强度将会大到超乎你的想象——甚至连强相互作用都不能与之匹敌。如果我们抛开这种想法，那么，弱相互作用仍然是最弱的，至少在我们通常碰到的情况下是如此——所以，取这个名字也许还是不错的。)

有些粒子会发生转变，例如蜕变或相互之间的作用，这些转变都是由强相互作用促成的；而有些粒子发生的转变则是由弱相互作用促成的。自然，由强相互作用促成的转变肯定要比由弱相互作用促成的转变迅速得多，正如由主投手掷出的棒球肯定要比一个5岁小孩掷出的球速度快得多。

通常，由弱相互作用促成的转变可能发生在一百万分之一秒内，而由强相互作用促成的转变则发生在不到一万亿分之一秒的时间内——有时甚至发生在一亿亿亿分之几秒之内。

重子和介子对强相互作用和弱相互作用都有反应，但是轻子只对弱相互作用有反应。（重子、介子和轻子都对电磁相互作用有反应，但只是在它们带电时。中子、中性π介子和中微子对电磁相互作用都没有反应。)这就是为什么轻子的转变，例如π介子蜕变为μ子、μ子蜕变为电子或β粒子的放射性产物的蜕变，都是以亚原子级的缓慢运动的形式发生的。不会蜕变为μ子的中性π介子，会受到强相互作用的影响，因而会比带电的π介子蜕变得更快。

弱相互作用与其他三种相互作用有所不同，因为只有它不涉及一些非常明显的吸引力。引力相互作用使天体聚集在一起，并使太阳系得以存在。电磁相互作用使原子和分子聚集在一起，并使地球得以存在。强相互作用使重子聚集在一起，并使原子得以存在。

弱相互作用并没有使任何东西聚集在一起，它只是促成某些粒子转变成另外一些粒子。然而，我们不能小看它。举一个例子说，它促成了质子相互结合而组成氦核这一过程。这就是核的聚变过程，它使阳光普照大地，使地球上能够产生生命。

但是，弱相互作用会引出一个问题。如果其他三种相互作用都依靠交换粒子发挥其作用，那么弱相互作用必定也会有一种交换粒子。由于弱相互作用是短程的，它的交换粒子应该具有质量。事实上，由于弱相互作用的力程比强相互作用短得多，因此它应该有一个比π介子重得多的交换粒子。

一种在1967年提出的理论（我稍后便会论及)认为：弱相互作用应该有3种交换粒子——一种带正电荷、一种带负电荷、还有一种是中性的——这些粒子的质量可能是π介子的700倍，是质子的100倍。

这些交换粒子被称为W粒子，这里的W代表微弱。带电的粒子用符号W＋和W-表示，中性的粒子则以符号Z⁰表示。

寻找这些交换粒子的重要性不仅在于可以将它们增添到科学家们已知的粒子集中去，还在于它们的存在可以证实上面的理论预言。如果它们的质量真的像理论预言的那样，大得令人难以置信，那么毋庸置疑，以上的设想是千真万确的。正如我们将要看到的那样，这个理论是很重要的，而探测到交换粒子对它来说是至关重要的。

问题的关键在于粒子巨大的质量。因为要想生成并探测到这种粒子，相应地就必须拥有巨大的能量。直到1955年，人们能够产生的能量还只够生成并探测到反质子。而要想对W粒子做同样的实验，需要集中的能量至少应相当于该能量的100倍。

直到20世纪80年代，能够提供所需能量的粒子加速器才被设计出来。伊利诺伊州巴达维亚城费米实验室（Fermilab in Batavia， Illinois)的一个美国科学家小组一直在致力于此；与此同时，位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN)的一个欧洲科学家小组也在进行同样的工作。

这两个小组的任务不仅限于解决能量问题，因为即使有粒子出现，它们存在的时间也实在太短，以至于很难被直接探测到。科学家们还必须根据这些粒子的蜕变产物（μ子及中微子)，将它们从同时生成的为数众多的其他粒子中分辨出来。

因此，这两个实验室之间展开的竞赛是极其错综复杂的。竞赛开始后，费米实验室既缺乏资金，又缺少足够的仪器设备，而另一方CERN在意大利物理学家鲁比亚（Carlo Rubbia，1934—　)的卓越领导下取得了这场竞赛的胜利。

为了完成这项研究工作，鲁比亚改进了现有的仪器设备，并于1982年得到了140 000例据信有可能导致产生W粒子的转变。通过计算机筛选，只剩下了5例，其中4例可以解释为W-粒子，另一例可以解释为W＋。另外，他们设法测出了这些粒子的能量，并由此计算出了它们的质量。其结果与理论预计的完全吻合。

这一成果于1983年1月25日正式发表。鲁比亚开始继续寻找比W粒子重15%的Z⁰粒子，而这种粒子更难被探测到。1983年5月，Z⁰粒子也被探测到了。同年6月，他公布了这一结果。1984年，鲁比亚因此而获得了诺贝尔奖。

根据这一理论，可能还存在着另一种粒子，这就是希格斯粒子，它是由英国物理学家希格斯（Peter Higgs)首先提出的。理论上尚不清楚它的质量和其他性质，只是认为它比W粒子重得多。因此，没有人可以确定何时能探测到这种粒子。这将是一个未来才能完成的工作。