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费曼的贡献不仅仅是引进费曼图
他还把从主方程导出的数学规则与顶角联系起来
合成的费曼图中
这些规则叠加起来
就能使物理学家计算出与该图对应的实际过程发生的概率
例如两个电子相遇的问题
最简单的费曼图由图十六给出
该图由两个电子
光子顶角连接而成
表示电子通过交换光子发生散射
通过该图很容易想象这一图像
两个电子从左边进入
然后交换光子发生散射
然后从右边离开
实际上
我们在这里偷偷的加入了另一条规则
只要你把粒子引进来
你可以把它翻转成一个反粒子
反之亦然
图十六就给出了另一种将顶角连接的方法
同样
它也对应电子相互作用的一种可能方式
稍微思考下就会发现
有无数种可能的费曼图代表着无数种方式的电子散射
幸运的是
某些图比其他图重要
这对我们做计算是非常有利的
判断费曼图的重要性很容易
一般来说
图越重要
顶角越少
因此
针对一对电子相互作用
图十六所示的费曼图是最重要的
因为它只有两个顶角
这意味着我们只需要根据费曼规则对该图展开计算
就可以很好的理解发生了什么
令人兴奋的是
在处理两个带电粒子相互作用时
从这些数学里赫然显现的物理学
正是早先法拉第和麦克斯韦发现的物理学
但是现在
我们可以宣称
我们更好的理解了这些物理的起源
因为我们从规范对称性导出了它们
除了为理解十九世纪物理学提供了一种新方法
费曼规则还为我们带来了更多的东西
即使是对两个电子相互作用的问题
费曼规则的计算也能够对麦克斯韦的预测进行改进
这些小的改进修正了麦克斯韦方程组
使得方程组所得到的数据与实验结果相一致
因此
主方程正在开辟新的天地
这里我们只是触及了冰山一角
正如我们所强调的
标准模型描述了我们已知的粒子相互作用方式
它是关于强力
弱力和电磁力的完整理论
它甚至还成功的将其中的两个统一了起来
这个理解宇宙事物间如何相互作用的宏伟图景
只有引力没被纳入其中
但是
我们仍旧需要保持信息通畅
归纳了标准模型核心内容的费曼法则是如何规定了毁坏质量并将其转化为能量的手段呢
我们该如何使用它们来最好的利用e等于mc平方
首先让我们回顾下第五章的一个重要结论
光是由无质量的粒子组成的
也就是说
光子没有任何质量
现在有一幅非常有趣的图
如图十七所示
一个电子和一个反电子
正电子碰撞
湮灭并产生一个光子
为了清晰起见
我们把电子标记为一减
把正电子标记为一加
这个过程是费曼规则所允许的
我们必须重视这幅图
因为它代表着这样一种情况
碰撞前是有质量的
一个电子和一个正电子带有质量
而碰撞后量消失了一个光子
这是一个质量全部毁灭的过程
所有禁锢在电子和正电子质量中的能量被释放出来了
变成了光子的能量
不过有个问题
世间万物的反应过程必须同时遵循能量守恒定律和动量守恒定律
电子和正电子湮灭成单光子的过程
不能同时满足这两个规律
是不被允许的
这不太容易看出来
我们也不去证明它
但这个问题很容易绕过去
再加入一个光子
图十八再次显示了该过程的费曼图
质量被全部毁灭
百分之百转化为能量
并产生两个光子
这类过程在宇宙的早期有着举足轻重的作用
那时物质和反物质相互湮灭
几乎完全抵消
今天
我们看到了那场湮灭的遗迹
天文学家观察到
宇宙中每一个粒子对应着大约一千亿个光子
也就是说
对于宇宙大爆炸产生的物质粒子
每一千亿个当中
只有一个能够幸存下来
其余的会像费曼图所描绘的那样
找准机会剥离出质量
变成光子
现实表明
组成恒星
行星和人类的物质
只是宇宙早期大规模湮灭背后的小部分残留
还有东西留下来
这简直太幸运了
太奇妙了
直到今天
我们也不知道为什么会这样
为什么宇宙不是仅仅充满了光
而不存在其他东西
仍然是个开放的问题
为寻找答案
世界各地的实验室都开动了起来
我们不乏聪明的想法
但到目前为止
仍没能找到决定性的实验证据
也没能证明理论是错误的
俄罗斯的安德烈
萨哈罗夫以善于提出不同意见而出名
他在这一领域取得了开创性的工作
他首先提出了一些标准
任何试图回答为什么大爆炸会遗留物质的理论
都必须满足他的标准
我们了解到了自然界毁坏物质的机制
不幸的是
这种机制在地球上并不实用
因为我们缺少生产和储存反物质的方法
据我们所知
尚没有发现有什么地方储存着反物质的矿产可供我们开采
即使是外太空
也没有反物质颗粒
反物质作为一个理想燃料
却无法被利用
因为没有可开采的矿产
反物质可以在实验室中产生
但必须首先注入大量能量
因此
尽管物质反物质湮灭是物质转化为能量的最彻底方式
但它并不能帮助我们解决能源危机
那为太阳提供动力的核聚变呢
用标准模型的语言
该如何实现这样的过程
我们应该将注意力集中在w粒子的费曼图顶角上
这是关键所在
图十九显示了两个质子聚变成刀核时的过程
不要忘记
质子是由三个夸克组成的
两个上夸克和一个下夸克
刀核是由一个质子和一个中子组成
其中中子又主要由三个夸克组成
但这次是一个上夸克和两个下夸克
这张图显示了一个质子是如何转化为中子的
你会发现
w粒子是关键
事实上
质子内部的一个上夸克通过发射一个w粒子变成了下夸克
从而将质子转变成了中子
从图上还可以看出
发射出来的w粒子不会停留在周围
随后它会消亡
转化为正电子和中微子
在刀核形成过程中
发射出的w粒子总是消亡的
现实中
没有人直接看到过w粒子
只是通过它消亡时产生的粒子追寻到了它的踪迹
经验表明
几乎所有的基本粒子都会消亡
因为对于每个粒子都会有一个令其消亡的费曼图顶角
但是也有例外
例外出现在
当消亡的过程能量和动量不可能守恒时
这往往意味着最轻的粒子会存留下来
这是质子
电子和光子充斥着这个世界的原因
上下夸克是最轻的夸克
电子是最轻的带电轻子
光子没有质量
几乎没有粒子可以让他们去衰变
例如缪子
与电子几乎相同
只是比电子重些
还记得吗
在谈论布鲁克海文实验时
我们遇到过它
因为缪子质量比电子大
所以缪子衰变为电子而不违反能量守恒定律
此外
如图二十所示
这种情况符合费曼规则
并且动能守恒也没问题
因为一对中微子也被发射出来
因此
缪子确确实实可以衰变
它的平均寿命只有短暂的二点二微秒
顺便提一下
二点二微秒相比于大多数粒子物理过程来说
是一个比较长的时间尺度了
相比于缪子
电子是最轻的标准模型轻子
通过衰变
没有什么它能转化的
因此一个独立的电子永远不会衰变
而消灭一个电子的唯一方法
是让它与它的反粒子一起湮灭