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说了那么多
我们还没有讲完
还没有触及标准模型至高无上的荣耀
它不仅包括了电磁相互作用
强相互作用和弱相互作用
而且把其中的两个统一了起来
表面上看来
电磁现象和弱相互作用现象没有任何关系
因为电磁现象是典型的可以被直观感知的现实
而弱力则深埋于黑暗的亚原子世界中
然而
令人称奇的是
他们实际上只不过是同一件事的不同方面罢了
仔细观看下第二行主方程
即使不懂数学
我们也可以看见物质粒子之间的相互作用
第二行涉及WBG交子
它们夹在两个物质粒子per赛之间
主方程的这一小部分告诉我们
物质粒子是如何通过这些传递力的媒介和一些短线耦合在一起的
光子部分的存在于符号b中
同时部分的存在于符号w中
z粒子和光子一样
相比之下
w粒子则完全存在于符号w中
这样的数学表述
好像把w和b看作基本物体
然后它们的组合巧妙的变出了光子和z粒子
结果是
电磁粒光子作为媒介和弱相互作用力
w粒子和z粒子作为媒介交织在了一起
从实验角度来看
这意味着所测得的电磁实验现象的性质应该与弱力实验现象的性质相关
这是标准模型的一个预测
给人的印象非常深刻
因为这个预言
标准模型的设计者谢尔登
拉格肖夫
史蒂文
温伯格和阿卜杜拉
萨拉姆共享了诺贝尔奖
他们的理论能够预测w粒子和z粒子的质量
并且是在二十世纪八十年代欧洲核子研究中心发现他们之前标准模型让事物完美的结合在一起
拉格 肖福
温伯格和萨拉姆又是怎么知道方程的形式的呢
他们是怎么认识到w和b结合产生光子和z粒子的
这些问题触及了现代粒子物理的奇妙核心
他们不是仅仅靠猜测
他们有一条明晰的线索
大自然是对称的
对称性非常常见
抓一片雪花拿在手中
仔细观察下这个美丽的大自然雕塑作品
它的图案按照数学的规律重复着
就像照镜子一样
最常见的是球体的对称
当它转动时
看起来没有发生什么变化
还有正方形的对称性
当沿着它的对角线或中心翻转时
也看不出什么变化
在物理学中
对称性的方式与之大致相同
如果我们对方程进行一种操作
方程却不发生改变
那么这个操作就是方程的一种对称
这听起来有点抽象
但是请记住
方程仅仅是物理学家用来表达真实事物之间关系的一种方式
所有重要的物理学方程都具有一个简单而重要的对称性
它表明这样的事实
把实验搬到火车上去做
如果火车没有加速
那么实验结果不会改变
我们对这个观点已经非常熟悉了
它就是伽利略的相对性原理
也是爱因斯坦理论的核心
用对称性的语言来讲
描述实验的方程并不取决于实验是在站台上还是在运动的火车上
因此
移动实验装置的操作是方程的一种对称性
我们已经看到
这么简单的事实
促使爱因斯坦最终发现了相对论
情况往往如此
简单的对称性引起深远的影响
我们已经准备好去讨论格拉肖夫
温伯格和萨拉姆在发现粒子物理标准模型时所使用的对称性了
这个对称性有一个绚丽的名字
规范对称性
那么
什么是规范呢
在讨论他之前
我们先说说他有什么帮助吧
假设我们是格拉肖夫
温伯格和萨拉姆
正埋头寻找物体间的相互作用理论
首先
我们从建立一个粒子理论开始
这些粒子微小且不可分割
对于实验已经发现的粒子
我们最好囊括它们
否则这个理论就是个半生不熟的理论
当然
我们可以绞尽脑汁去弄清楚
为什么是这些粒子构成了宇宙万物
或者为什么它们是不可分割的
但这会分散我们的注意力
事实上
这是两个很好的问题
只是我们仍然没有答案
优秀的科学家所要具备的一个素质是甄别哪些问题该问
以便推动发展
哪些问题应该放一放
留待未来解决
接着
让我们在这些现成的基础上
看看能否弄清楚粒子之间是如何相互作用的
如果它们之间没有相互作用
这个世界将会变得非常无聊
物体会穿过其他物体
毫无阻碍
没有东西聚合在一起
我们也永远得不到原子核
原子动物或恒星
然而
物理学家做研究
往往是先迈出一小步
当粒子之间没有相互作用时
构建粒子理论就不那么困难了
我们只能得到主方程的第二行
并且还要把WBG划掉
这就是量子理论
在粒子没有任何相互作用下的全部量子理论
我们迈出了一小步
即将迎来神奇的一幕
接下来
我们要求世界以及我们的方程具有规范对称性
结果是惊人的
主方程的第二行剩余部分和第一行便免费出场了
也就是说
如果理论要满足规范对称性的要求
我们必须依法修改无相互作用的粒子理论
理论突然间摇身一变
从世界上最无聊的理论变成了包含光子
w粒子
z粒子和交子的理论
并且这些粒子传递物质粒子之间的相互作用
也就是说
我们从对称性得到一个这样的组论
它能描述原子的结构
恒星发光
以及像人类这样复杂的物体的组合
我们得到了这个万物理论的前两行公式
剩下的任务是解释这个神奇的对称性到底是什么
然后解释理论的后两行又是什么
雪花的对称性是一种几何对称性
我们可以用肉眼看到
伽利略相对性原理背后的对称性用肉眼是看不到的
它很抽象
但却不难理解
规范对称性和伽利略相对性原理一样抽象
但稍微想象一下也可以理解它
为了把我们提供的描述和数学联系起来
我们刚才深入到了主方程中
让我们再来一次
我们刚才说过
物质粒子在主方程中用希腊符号括害表示
现在更深入的研究
下火害是场
它可能是电子场
或者上夸克场
或者是标准模型中的任何物质粒子场
无论是哪个场
有最大值的地方
就是离子最有可能出现的地方
现在把讨论集中到电子身上
但是这些讨论对夸克
中微子等其他粒子都是一样的
如果某个地方的厂为零
那么那里就找不到粒子
提起厂
你可能首先想象到一块长满了草儿的原野
但也许有山峰和峡谷的起伏地形更能使场形象化
有山峰的地方场最大
有峡谷的地方场最小
我们鼓励你想象出一个假设的电子厂出来
令人惊讶的是
主方程是模棱两可的
它不能给出确切的答案
我们不能因此确定周围电子的位置
我们所能做的是指出电子更可能出现在这里有山峰的地方
而不太可能在那里有峡谷的地方被发现
我们可以确切的给出这里或那里发现电子的概率
这已经不错了
这种对微观世界描述的不确定性
是由占主导地位的量子理论引起的
他只能处理事情发生的概率
对于微观距离
位置和动量等概念
确实存在基本的不确定性
顺便说一下
爱因斯坦非常不喜欢世界按照概率定律运行的事实
对此
他讲过一句著名的话
上帝不投头子
但是他不得不承认
量子理论是非常成功的
他完美解释了我们在亚原子世界做的所有实验
如果没有量子物理
我们都无法理解计算机芯片的工作机制
也许将来会有人提出更好的理论
但目前
量子理论是我们最好的工具
本书一直强调
当解释日常感受之外的现象时
我们发现大自然一点也没按照常识给出的规则运行
我们的常识发展出了宏观世界的力学
而不是量子力学