你能感觉和触摸到的世界是由原子构成的,原子是能够分辨的*小物质块。但是原子中心本身又是一个全新的世界,其中的居民是夸克:夸克看不到,不可思议地小,但却是构成我们这个宇宙的*小砖块。在夸克统治的这个世界中,规则与我们的世界大不相同。这些规则是量子规则。巨大的粒子加速器可以将这个世界展现在物理学家们眼前,使他们能够形成一套关于量子规则的理论,用来解释夸克何感觉彼此的存在。《量子夸克》讲的就是这套理论:量子色动力学。
你能感觉和触摸到的世界是由原子构成的,原子是能够分辨的*小物质块。但是原
子中心本身又是—个全新的世界,其中的居民是夸克:夸克看不到。不可思议地小,但
却是构成我们这个宇宙的*小砖块。在夸克统治的这个世界中。规则与我们的世界大不
相同。、这些规则是量子规则。臣大的粒子加速器可以将这个世界展现在物理学家们眼前,
使他们能够形成一套关于量子规则的理论。用来解释夸克如何感觉彼此的存在。《量子
夸克》讲的就是这套理论:量子色动力学。
nbsp; 序
科学,特别是自然科学,*重要的目标之一,就是追寻科学
本身的原动力,或曰追寻其**推动。同时,科学的这种追求精
神本身,又成为社会发展和人类进步的一种*基本的推动。
科学总是寻求发现和了解客观世界的新现象,研究和掌握新
规律,总是在不懈地追求真理。科学是认真的、严谨的、实事求
是的,同时,科学又是创造的。科学的*基本态度之一就是疑
问,科学的*基本精神之一就是批判。
的确,科学活动,特别是自然科学活动,比较起其他的人类
活动来,其*基本特征就是不断进步。哪怕在其他方面倒退的时
候,科学却总是进步着,即使是缓慢而艰难地进步,这表明,自
然科学活动中包含着人类的*进步因素。
正是在这个意义上,科学堪称为人类进步的“**推动”。
科学教育,特别是自然科学的教育,是提高人们素质的重要
因素,是现代教育的一个核心。科学教育不仅使人获得生活和工
作所需的知识和技能,更重要的是使人获得科学思想、科学精
神、科学态度以及科学方法的熏陶和培养,使人获得非生物本能
的智慧,获得非与生俱来的灵魂。可以这样说,没有科学的“教
育”,只是培养信仰,而不是教育。没有受过科学教育的人,只
能称为受过训练,而非受过教育。
正是在这个意义上,科学堪称为使人进化为现代人的“**
推动”。
近百年来,无数仁人志士意识到,强国富民再造中国离不开
科学技术,他们为摆脱愚昧与无知作了艰苦卓绝的奋斗。中国的
科学先贤们代代相传,不遗余力地为中国的进步献身于科学启蒙
运动,以图完成国人的强国梦。然而应该说,这个目标远未达
到。今日的中国需要新的科学启蒙,需要现代科学教育。只有全
社会的人具备较高的科学素质,以科学的精神和思想、科学的态
度和方法作为探讨和解决各类问题的共同基础和出发点,社会才
能更好地向前发展和进步。因此,中国的进步离不开科学,是毋
庸置疑的。
正是在这个意义上,似乎可以说,科学已被公认是中国进步
所必不可少的推动。
然而,这并不意味着,科学的精神也同样地被公认和接受。
虽然,科学已渗透到社会的各个领域和层面,科学的价值和地位
也更高了,但是毋庸讳言,在一定的范围内,或某些特定时候,
人们只是承认“科学是有用的”,只停留在对科学所带来的后果
的接受和承认,而不是对科学的原动力、科学的精神的接受和承
认。此种现象的存在也是不能忽视的。
科学的精神之一,是它自身就是自身的“**推动”。也就
是说,科学活动在原则上是不隶属于服务于神学的,不隶属于服
务于儒学的,科学活动在原则上也不隶属于服务于任何哲学。科
学是超越宗教差别的,超越民族差别的,超越党派差别的,超越
文化的地域的差别的,科学是普适的、独立的,它自身就是自身
的主宰。
湖南科学技术出版社精选了一批关于科学思想和科学精神的
世界名著,请有关学者译成中文出版,其目的就是为了传播科学
的精神,科学的思想,特别是自然科学的精神和思想,从而起到
倡导科学精神,推动科技发展,对全民进行新的科学启蒙和科学
教育的作用,为中国的进步作一点推动。丛书定名为《**推
动》,当然并非说其中每一册都是**推动,但是可以肯定,蕴
含在每一册中的科学的内容、观点、思想和精神,都会使你或多
或少地更接近**推动,或多或少地发现,自身如何成为自身的
主宰。
前言
掂一下这本书,你就能感觉到地心引力的作用。看到这一页
字,你会意识到光的存在:引力和电磁力对我们来说,都是再熟
悉不过的东西了。但是大自然还操纵着另外两种我们不怎么熟悉
的力。要了解这两种力的机理,就要在进行高倍放大后,在特别
精细的尺度上观察世界,这时日常事物都会呈现出更为基本的组
成部分。这两种我们不太熟悉的力,分别叫做强相互作用力
(strong force,简称强力)和弱相互作用力(weak force,简称弱
力)。强力使组成物质的*基本成分结合在一起,为我们的太阳
提供动力,而弱力则参与放射性过程。物理学家们已经提出了一
套理论,来说明强力怎样在*基本的层次上产生作用,本书的内
容就是关于这套理论的。这套理论就是量子色动力学(quantum
chromodynamics),或简称为QCD。它是人类智慧*伟大的成就
之一。
研究强相互作用力的物理学分支叫做粒子物理,或者也可以
叫做高能物理。高能物理学家也研究弱相互作用力,但是我们可
以耍个小把戏,把有关弱力的东西,连同包括引力在内的所谓大
统一理论都放到一边。就像一本历史书,可能仅涵盖了英国历
史,而不是整个欧洲的历史一样,本书的主要目的是介绍量子色
动力学及其基本规律和发展历程。就像一本讲述英国历史的书并
不能记载所有的英国历史一样,本书也不可能面面俱到。为了方
便更广大的读者,与其他介绍粒子物理的书相比,本书更加详细
地探讨了量子色动力学及其相关内容。
《量子夸克》一书意在使广大读者容易理解书中内容:读者
不需要有物理学或数学基础,本书使用的符号也做了*大程度的
简化。如同一本俄国名著中会有许多人物的名字令我们感到陌生
那样,本书也会有很多晦涩的术语,因此书后提供了详尽的术语
表供大家查阅。书后还收录了重大事件的历史年表,以帮助读者
勾勒出QCD随时间发展的脉络。量子色动力学是一个庞大的课
题,许多人为此投入了大量时间和精力,如此多的内容无法全部
包罗在本书当中。我希望有关专家们能原谅我略去了一些观点、
人物、实验以及参考资料,权且让我们在伟大思想之间信步,做
一次轻松的旅行,而不要把本书作为一本教科书来对待。
费曼图
费曼图**次出现在1949年,费曼在一次量子电动力学讨
论会的论文中,用它来表示所讨论的理论中的微扰级数展开项。
它们不仅仅是一些简单的、描述粒子碰撞的怪图,图中的每一条
线、每一个点都对应着精确的数学表达式。按照惯例,直线表示
费米子传播子,在QED理论中,它们对应着经过的电子或正电
子。波浪线表示光子传播子,它们同表示费米子的直线有交汇
点,称作顶点(vertex)。在每一个顶点处,四维动量都是守恒
的,这表示流人顶点的四维动量和流出顶点的值应该相等。严格
来讲,表示费米子的线应当有表示方向的箭头。没有圈的图被称
作树状图,这是因为图中只有简单的分叉;含有圈的图在末端会
有树状图所没有的小刺。
所有可能存在的、需要实际计算得出的图,都可以用简单的
“子图”拼出来。在QED理论中,这种子图总共只有3种,分别
是电子传播子、光子传播子和有3个分叉的电子一光子顶点。除
了这些以外,还要加上一个基本规定:所有各种可能的费曼图都
有一定数目的顶点。另外再加上一些技术细节,就足以完成一个
对粒子散射过程的实际计算。
费曼的作图方法将微扰论计算大大简化了,几乎将这种工作
变成了一种体力活。大学毕业生们即使没有听说过格林函数或路
径积分,也可以用这种方法算出有意义的结果。现在,几乎所有
人都能完成这项工作了!
当然,并不完全如此。实际上,对于包含大量顶点的费曼图
来说,随着顶点数量的增加,计算的工作量会猛增。连同其他一
些问题,决定了实际上只有*简单的情形才能够计算出来。实际
上,人们从来没有完整计算出包含超过4个圈图的费曼图的情
况。例如,将电子的反常磁矩计算到3个圈图要包含72个图,计
算到4个圈图则要包括891个图,如果到5个圈图,这个数量已
经相当惊人了——要计算12672个图。我们可以展望一下前景:
在经过3年的努力后,人们终于在1996年征服了含有3个圈的
图,含有4个圈的图的计算过程还在进行中。在本章开始引用的
理论值atheory仅仅估计了4个圈的贡献。
靠费曼图来处理问题还存在理解上的困难。这看起来十分明
显:例如图3.5中的某一张图,电子和正电子的散射过程,看上
去就像是电子和正电子先结合成一个光子,然后再经过电子偶产
生过程重新出现,就像光子变成了一个电子和一个正电子。尽管
这种低次项的费曼图可能同真实的物理过程十分接近,但总的情
况却不是这样。费曼图是级数展开,而简单的树状图只是展开的
前几项。在现实中,物理过程实际上是由一团光子、电子以及正
电子形成的云雾共同传递了相互作用。
即使是一个简单的电子从一点运动到另一点,也能说明这个
问题。电子从一点传播到另一点的振幅包括一系列更加复杂的后
继项,而并不仅仅是一条电子线(图3.4)。从整体上看,它是一
个“穿戴整齐”的传播子,而不是一个“裸”电子,这种含有圈
的费曼图称作电子的自能图。在费曼图中,这表示了量子场论的
物理思想:像电子这样的粒子是同一团光子云相联系的。“真实”
存在的是穿着衣服的传播子,而不是光着身子的。
从一个地方运动到另一个地方的光子也是这样。一个穿着衣
服的光子传播子包括“裸”传播子,然后是形成一个费米子圈的
一次项,更高次项的图包含更多的圈。这种圈图被称作光子的自
能图,或者叫真空极化图(因为光子在通过真空时会扰动真空)。
这是一种纯量子效应,在经典物理中没有对应,但可以通过实验
观测到。
难以琢磨的展开
QCD理论中的微扰论同QED理论几乎完全一样。但有一个
主要的差别,它从某种意义上来说,成为了QCD理论中阿喀琉
斯的脚后跟①。尽管在电动力学中,通过费曼图可以方便地使用
微扰论,并且结果也符合得很好,但在QCD理论中却不能这样。
QCD理论存在一个问题。时常会有这样的情况:一些很小的修正
项,*终会变得比它们要修正的东西还要大,就像在大海的波浪
中泛起的涟漪,结果比波浪本身还大。从数学上讲,随着计算精
度的提高,展开参数的次数也会增加,之所以产生这种问题,实
际上是由于展开参数不够小。一旦发生这种问题,理论物理学家
们就有了大麻烦。于是,有时要求助于其他数学工具,有时要求
助于计算机,但是没有在理论上解决这个问题的严格方法。在一
些情况下,不能运用微扰论成为了粒子物理学中一个重大的
困难。
但这还不是*糟糕的,更加麻烦的是,微扰论本身也有本质
上的问题。这种问题与前面提到的QCD理论的微扰论困难不同,
在日常的计算中不会出现,但它却腐蚀了整个量子场论大厦的根
基。将微扰论运用到场论中会得到逐项递减的级数,理论物理学
家们一度假设这些级数拥有一种称作“收敛性”(convergence)
的性质。但在1951年,英国理论物理学家弗里曼·戴森(Free—
msn Dyson)指出这并不是普遍成立的,这似乎是一个技术问题,
但具有深远意义。
除了在微扰论中出现的那些级数之外,数学家们还了解许多
其他的级数。他们用级数项收敛的说法来表示一个级数逐项减
小,并且把所有项加起来*终可以得到一个数值~一级数和。例
如级数1+1/2+1/44-1/84-1/16+…(后面有更多的项)是收敛
的,这个无穷多项的序列加起来得2。
作者介绍
安德鲁_·华生
安德鲁·华生是一位自由职业的科学记者和作家。
他在曼彻斯特大学拿至q理论物理博士学位之后
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