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统一“时钟”的“发条”

作者:佚名    来源:网络收集    更新时间:2007年11月19日
    世界上的物质纷坛繁杂,其种类多得数不胜数。早在2400多年前,古希腊的哲学家们就已开始探索构筑宇宙大厦的统一砖石。后来,经过漫长的探索,科学家们最后发现,所有的物质都是由百十种不同的元素构成的,而所有元素又都可以再剖析为许多不同的粒子。
  
    今天,我们知道,不同粒子相互转化的结果,就构成了不同的元素,形成不同的物质。那么,粒子之间为什么能够相互转化呢?原来,在粒子与粒子之间存在着4种自然力的相互作用:引力、电磁力、弱力和强力。其中,几乎所有的粒子之间都存在引力和弱力,但电磁力只存在于带电粒子之间。
  
    大家都很熟悉时针,知道每隔一段时间就要给它上紧发条,要不然时针走着走着就停下不动了。如果我们把这个丰富多彩、变幻莫测的宇宙看作一台时钟,那么上述4种自然力就是它的“发条”。没有这些发条,这台特殊的“时钟”也一样会停滞不前。
  
    看到这儿,也许有人会说:“这台‘时钟’的‘发条’也太多了吧?为什么不能简单些呢?”
  
    问得好!这正是一直困扰着物理学家的一大难题。许多人都进行过努力的探索,力图找到把它们统一起来的途径。
  
    1967年,美国物理学家格拉肖、温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆,经过几年不懈的努力,终于把这4根“发条”中的两根——弱力和电磁力统一起来,使这台“时钟”的“发条”减少为3根。
  
    在这3位物理学家中,哈佛大学的格拉肖最早涉足弱力和电磁力统一的研究领域。
  
    1961年,听说这位年轻的物理学研究员竟然想把弱力和电磁力统一起来时,有些人摇摇头说:“年轻人,科学研究需要有理性的思考,而不是凭空想象。你知道,弱力的强度只有电磁力的一万亿分之一,它们是完全不同的两种自然力,怎么可能统一起来呢?不要浪费宝贵的时间和精力了!”
  
    然而,已经认定研究方向的格拉肖却自信地说:“不错,弱力和电磁力的‘性格’悬殊,似乎没有相似之处。但是,已经有人用数学方式描述出这两种自然力,从中我们可以看出它们在某些方面的相似性,这说明弱力和电磁力的统一并不是没有可能的。”
  
    在研究中,格拉肖巧妙地运用一种叫“规范场”的方法,几经曲折,竟然搭起了统一弱力和电磁力的框架。可是,格拉肖又遇到一道难题:弱力的作用非常微小,但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。该如何解释这个“传递子”具有那么巨大的质量呢?
  
    就这样,格拉肖的研究“卡壳”了。3年后,格拉肖的同门师弟、巴基斯坦物理学家萨拉姆,在研究弱力和电磁力的统一中,也遇到了同样的问题。
  
    这时,格拉肖的同事温伯格也开始研究自然力的统一问题。因为是研究同一个问题的同事,所以温伯格很清楚格拉肖的研究进展情况。
  
    有一次,温伯格到英国作学术访问。作为一名物理学家,在访问期间,他很留意英国物理学界的研究动态,一有空就翻阅物理学报刊。
  
    这天,温伯格正在翻阅一本论文集,其中一篇论文引起了他的注意。这篇论文是英国物理学家赫格斯写的。赫格斯认为,可以利用真空的某些性质,使本来没有质量的规范场获得质量。
  
    “运用这种思想,不就可以解释传递弱力的粒子为何拥有巨大的质量吗?”温柏格为这个意外的收获兴奋不已。
  
    1967年,温伯格运用赫格斯的方法,成功地把弱力和电磁力统一起来,与此同时,萨拉姆的研究也获得了类似的结果。
  
    由此,三位科学家创立了弱电统一原理,认为弱力和电磁力实际上是同一种力——电弱力的不同表现。1979年,他们共同获得了诺贝尔物理学奖。
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