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分享 科普： 一二三，色味香
热度 2 岳东晓 2015-8-7 11:23
我们所存在的自然界，除了让我们脚踏实地的引力，还有三种作用，那就是电磁作用，强相互作用，与弱相互作用。参与这些作用的粒子有光子、电子、中微子，夸克等等，其中夸克是核子的组成部分。质子与中子都是由三个夸克组成。以上这些是我们中学物理里学到的。问题是，why？ 物理是一门数学化的科学。整个现代物理都是基于杨振宁的所谓规范场理论。这个理论我之前介绍过，这里不再重复。让我们看看规范场理论是怎样解释上述三种相互作用。 用简单的数学语言来说，就是 1、2、3 ，U(1) x SU(2) x SU (3) 的对称性。 先不要被上面的符号吓着。所谓 U(1) 其实就是一个长度为1的复数。 S U（2） 是一个 2 x 2 的矩阵， \left( \begin{array}{cc} a b \\ c d \\ \end{array}\right) ，意思是有两种粒子进行混合，对于某种相互作用而言分不出彼此。 S U（3） 是一个 3 x 3 的矩阵，意思是有三种粒子进行混合，对于某种相互作用而言，没有区别。 简单的说，U(1) 对应于光子，也就是电磁作用，长度为1的复数可以表示成 e^{i\theta} ， 只有一个独立参数，也就只有一种光子。 SU（2）对应于弱相互作用，因为对称是 2x2，因此参与弱相互作用的是一对双胞胎，双胞胎混来混去，分不清谁是谁。我们说弱相互作用的粒子有两种味道 --- flavor。我们知道电子能够进行弱相互作用，电子 e 的弱作用双胞胎是什么呢？是中微子 \nu_e 。当然，电子跟中微子是不同的，电子带电，中微子不带电，电子比中微子重，但在涉及弱作用时这些区别消失了。夸克也能参加弱相互作用，所以夸克必然也是以双胞胎出现，有一种夸克叫做上夸克（u），另外一种就叫下夸克（d) 。从弱作用的角度，我们发现 这样的两对 (e, \nu_e) , (u, d) 。另外还有一个细节，这是李政道、杨振宁总结出来的，只有左转的粒子参与弱作用，右转的粒子没有弱作用。这一点是实验观察的结果。实际上 弱电作用理论非常复杂，涉及所为自发对称破缺、希格斯机制等等。 SU（3） 对应于强相互作用，因为是 3x3 矩阵，说明参与强相互作用的是三胞胎，三胞胎混在一起，难分难舍。这三种夸克称为三种颜色，以上夸克 u 为例，其中有三种，红上夸克，绿上夸克，以及蓝上夸克。所谓颜色，当然是物理学家进行文科思维的结果，想不出什么词了，于是用颜色来标记。实际上，这是说夸克带有三种不同类似电荷的东西，使它们之间可以相互作用。看起来，强相互作用的色动力学理论简单多了，它是精确的 Yang-Mills 场，不存在对称破缺。但不幸的是，由于作用强，常用的微扰计算方法往往无效。 那么我们听说还有其他的夸克是怎么回事呢？我们有 (e, \nu_e) , (u, d) （电子，电子中微子，上夸克，下夸克），这一组是构成我们世界的成分。但还有跟这类似、但是更重的一级别，有一个类似电子但更重的粒子，一个与之相应的中微子，一对类似的，但是更重的一对夸克。且让我们称之为中量级组合。除了中量级外，还有一组更重的重量级，里面那个类似电子的粒子差不多是质子的两倍质量，里面的其他粒子也重很多。 中量级与重量级不能稳定存在，因为它们能量高，会很快转换为轻量级。 所以，我们的世界其实是有轻量级的粒子组合构成。 经常在网上看到一些关于粒子物理的科普，但这些科普往往让人更加糊涂，常见科普的错误是，科普者往往把三个量级与夸克三种颜色混淆。其实，这三个量级与三种颜色一点关系也没有。而且目前我们还没有搞清楚为什么有三个量级，或许还有超重量级，目前我们没有发现。 有了对称性，那么根据杨振宁的规范场论，我们就可以写下相互作用的方程了。我们知道光子是传递电磁作用的粒子。那么传递弱相互作用的粒子有几种呢？ 2x2 的矩阵有四个复数，一个复数有实部、虚部，看起来我们得有八个数字。但 SU（2）是特殊的2x2 矩阵，里面的数字有限制，实际的独立变量是 2^2 -1 = 3，这个3就对应于传递弱相互作用的三种粒子。类似的，SU（3）实际有 3^2-1 =8 个独立参量，这对应于八种传递强相互作用的胶子-- 胶水的胶 -- gluon。这个名字起得很形象，强相互作用像牛皮糖似的，你越拉开距离，它力量还越大，造成所谓夸克囚禁，也就使我们无法观测到自由的夸克。 在《 汉文明宇宙观的现代性 》，我提到【 古代中国人对宇宙的起源的哲学解释非常清晰： “ 道生一，一生二，二生三，三生万物 ” 。这个基本理论在中国的知识阶层是公认的。所谓无极化为太极，太极化生阴阳两仪 ... 从今天来看，古代中国人既有极高的直觉。】 但光有直觉是不行的， U(1) x SU(2) x SU (3) 规范理论是一套精确的理论，是所谓标准模型的基础，目前所有根据它进行的计算都屡试不爽。
个人分类: 科普|4842 次阅读|0 个评论
分享 无极
热度 4 稻草 2014-8-6 22:19
无极 无极， 即无限 。 无限生有限， 即无极生太极， 太极是最大的有限， 太极可为壹， 壹为始， 即1。 太极为有， 有表现为阴阳， 现在叫1、0。 有阴阳还不行， 不会演化， 无法平衡， 会走极端， 3为圆满，可平衡， 亦可演化， 就是1+1=2。 有了1+1=2， 世界就演绎出来了， 三生万物。
个人分类: 科学革命|3992 次阅读|8 个评论
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