电弱相互作用

电弱相互作用

我们已经研究了四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，它们的强度依次递减。是否还有别的相互作用呢？科学家一般都坚信没有了。

不过，这也许很难确定。毕竟，在1930年时，科学家们还只知道两种相互作用，即电磁相互作用和引力相互作用，而后又发现了另外两种核相互作用。然而，新的相互作用也并非不可预期的。在这方面，放射性真正的存在仍是个尚未解决的问题，因为无论是引力相互作用还是电磁相互作用，显然都不能用来解释放射性。一旦知道了原子核的结构，又会出现寻求新事物的呼声。

如今的情况已经大不相同了。自从发现两种核相互作用的半个世纪以来，人们运用前所未有的功能齐全、反应灵敏的仪器设备，对亚原子物理的每一个细微之处都进行了认真的研究。另外，科学家们还运用在20世纪30年代无法想象的仪器设备，研究了我们周围更加广阔的世界，并且对宇宙进行了探索。

已经获得的大量新发现都是从来没有人预言到的。显然，在过去的50年里，在科学调查和研究方面所做的工作，比以往几千年完成的全部工作的总和还要多。

另外，在过去半个世纪进行的从宇宙到中微子的整个领域的科学研究中，没有任何一种现象不能用四种相互作用加以解释。从未出现过对第五种相互作用的需求。这就使得科学家相信，总共只有四种相互作用。

20世纪80年代后期，肯定也曾有过第五种相互作用之说，有人认为这种相互作用比引力相互作用更弱，其力程介于核反应和另外两种相互作用之间，并随材料所含化学成分的变化而改变。这种观点的提出，曾一度引起人们的兴趣，但是，这种相互作用的特性对于我来说，是一连串十分复杂的事情，至少从一开始似乎就不大可能。所以，这种说法刚一出现便迅速销声匿迹了。

当然，人们仍有可能会发现宇宙的某个方面远超出自己的知识范围，它将会给我们带来极大的惊喜（例如1896年放射性的发现)。这样的发现可能会要求人们必须针对某些情况，发展另外的相互作用。然而，到目前为止，我们还从未有机会进行这样的研究，而且看来这种机会很小。

总的来说，关于相互作用的数量问题，其实不是“为什么没有更多的相互作用？”而是“为什么只有四种相互作用？”科学家有这样一种明确的意识：宇宙结构遵循一条经济原则，它的运作一定是尽可能地简单。如果两项任务可以通过一种途径得以完成，只要经过适当的修改，使之适用于这两种情况，那就绝对不会通过两种截然不同的途径来完成。

这样，到了1870年，似乎已有四种不同的现象能够跨越真空：光、电、磁和万有引力。这四种现象看上去各不相同。尽管如此，正如本书前面提到的那样，作为有史以来最伟大的科学见解之一，麦克斯韦建立了一组同时控制电和磁的方程式，并且证明这两者之间有着不可分割的关联。此外，如果电场和磁场可以合成电磁场的话，结果显示光是一种与电磁场有着密不可分关系的辐射。麦克斯韦还根据他的新见解预言了从无线电波到γ射线的整个类似于光辐射的家族。这些辐射直到1/4个世纪之后才被真正发现。

当然，人们自然也会想到将麦克斯韦的处理方法扩展到包括引力相互作用。爱因斯坦在他生命最后1/3的时间里，始终都在致力于研究这一课题，但是和其他人一样，他也失败了。而在20世纪30年代，由于人们又发现了两种核相互作用——强相互作用和弱相互作用，这使情况变得更复杂了，即发现它有四种场。但是，这并不表示科学家们放弃了寻找用一组方程式来描述所有场的方法（统一场论)。用尽可能简单的方法来揭示宇宙的想法实在太诱人了，以至于使人们无法忽视它。

1967年，美国物理学家温伯格（Steven Weinberg，1933—　)得出了一组可以涵盖电磁相互作用和弱相互作用的方程式。这两种相互作用从性质上来看是如此不同，但是，费米利用狄拉克曾用于电磁相互作用的数学方法，得出了弱相互作用理论，可见这两者之间一定存在着某种相似性。

温伯格提出一种处理办法，那就是把两种相互作用归为一类，显示出一种叫做电弱相互作用的特征，一定会有四种交换粒子。其中一种是没有质量的，它无疑就是光子。另外三种不但有质量，而且具有很大质量，它们分别被称为W＋、W-和Z⁰粒子。（还可能会有希格斯粒子，但还不能十分肯定。)

几乎是在同时，英籍巴基斯坦物理学家萨拉姆（Abdus Salam， 1926—1996)单独提出了几乎完全相同的理论。[这并不令人感到十分惊讶，因为当科学的某个领域中的资料积累到一定程度时，是经常会发生这种事情的。在即将获得某一惊人的进展时——也就是说时机已经成熟时——不只一个人会对此有所反应。其中最惊人的案例发生在1859年，当时达尔文（Charles Robert Darwin)和华莱士（Alfred Russel Wallace)各自同时准备发表基于自然选择的生物进化论。]

当时，电弱相互作用并没有立即得到认同，因为这时的数学理论在某些方面还不完善。仅仅几年之后，荷兰物理学家特霍夫特（Gerard’t Hooft)就对数学理论做了适当的改进。

如果存在电弱相互作用，那就应该有中性流。换句话说，就是应该有包括弱相互作用的交换粒子在内的粒子相互作用，而这种相互作用并不包括电荷从一个粒子转移到另一个粒子。对于这种中性流来说，Z⁰粒子是必不可少的。1973年，人们终于探测到了这种中性流，这使得电弱理论一下子变得备受青睐。为此，温伯格和萨拉姆分享了1979年的诺贝尔奖。1983年，通过对电弱相互作用交换粒子的实际探测，使得这一理论得到了完善。

你可能想知道，如果存在单一的电弱相互作用，为什么这种单一现象的两个方面（即电磁相互作用和弱相互作用）会如此不同呢？显然，这是由于我们生活在较低的温度下所造成的结果。如果温度足够高（远比我们现在周围环境的温度高得多)，那么可能真的会只有一种相互作用。但是，随着温度的下降，这两个方面又会分离。它们仍然是单一的相互作用，只是以两种截然不同的方式表现出来。

我们可以用类比的方法加以说明。例如，水存在有三种不同的形态：液态水、冰和水蒸汽。对于那些对我们所在的世界并不熟悉的人来说，它们就可能会被看成是三种完全不同的物质，相互之间毫无关联。

现在，假设温度达到足够高，使得水都以水蒸汽的形态出现。那么，水显然就成了具有一种性质的单一物质。但是，如果使温度下降，其中一部分水蒸汽就会凝结成液态水，使液态水与气态水保持平衡。显然，这时它们就成了两种不同的物质，并具有两种完全不同的性质。

如果使温度继续下降，一部分水就会冻结，这时你就能得到处于平衡状态的冰、水和水蒸汽。这三种形态的外观和性质均有很大的不同，但是，归根结底它们还是同一种物质。

因此，就存在这样一种想法：在宇宙最初形成时，它处于极高的温度下，大约有10⁴³度。在当时的那种环境下，就只有一种相互作用。随着温度的下降（非常迅速，就像我们现在测定的时间一样)，引力相互作用明显地被分离出来作为一个独立的相互作用，并随着温度的继续下降而变得更弱。接着，强相互作用又分离出来了，最后，弱相互作用和电磁相互作用也分开了。

自然，这使得整个过程看上去仿佛被确定无疑地倒过来了，而一种单一的处理办法也许能将这四种相互作用归为一类。欲将电弱相互作用和强相互作用统一起来的各种想法已经取得了进展，而且许多科学家确信，发展“大统一理论”一定会成功。然而到目前为止，所有把引力相互作用也包括进来的尝试都失败了。这种现象仍然是一个难以解决的问题（对此我会在稍后做进一步论述)。