夸克与美洲豹 作者:[美]盖尔曼-第22章

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　　　　如果他们两人对安全性还不放心，他们可以废弃少数他们共同测量的结果，在公共电话中比较一下对应的一些1　和0　是否真的一致。其他剩下的1　和0　串仍可继续用于秘密通信。任何一个间谍如果设法知道了他或她的测量光子的方法，这间谍将会破坏阿丽丝和玻普结果的完全一致性。但只要把这些结果中一部分作一比较，这间谍的破坏就被暴露了。
　　　　量子密码并不真地需要EPRB　效应。后来，由6　个物理学家（包括贝纳特）组成的一个小组，发明了一个更聪明的程序，这个程序的实质仍然是利用EPRB　效应。他们毁掉一个光子，又在另一地方创造一个有相同偏振态的光子（即利用空间不同的概率分布）。
　　　　当我们越来越熟悉基本粒子系统时，在被实验揭示的明显复杂性和理论所得到的简单性之间，就有一种令人注意的相互关系越来越明显地显示出来。许多不同种类粒子的发现，以及它们之间不同类型的相互作用的发现，使人们产生和加强了一种印象：粒子物理学越来越复杂。但与此同时，在理论物理学中，在向着粒子和相互作用的统一描述的进程里，发现了越来越明显的潜在的简单性。虽然粒子物理学还远没有一个世纪的历史，但我们可能已经处于这样的阶段：粒子物理学的统一已初现端倪，一个单个的原理可望预言基本粒子已观察到的多种多样性的存在。第十三章　夸克和其他：标准模型
　　　　所有有关基本粒子的值得尊重的理论，都是在量子场论的框架里完成的，其中包括标准模型和超弦理论两者。量子场论的基础有三个前提：量子力学的有效性，爱因斯坦相对性原理（不包括引力的狭义相对论和包括引力的广义相对论）的有效性和定域性（locality，意指所有基本力都由定域过程引起，而不是超距作用引起）。这些定域过程（local　process）涉及到粒子的发射和吸收。QED——量子电动力学量子场论第一个成功的范例是量子电动力学（　quantum　electrodynamics，QED），它是电子和光子的理论。电子是一种费米子（即遵守泡利不相容原理），它具有一个基本电荷单位（用“负号”标记，这是本杰明·富兰克林发明的）。光子是一种玻色子（即不遵守泡利不相容原理），它呈电中性。在量子电动力学里，在电子间的电磁力起源于一个电子发射光子，而另一个电子吸收这个光子。如果你懂得一些经典物理学，你一定会反对一个电子发射一个光子（即一个电子转变为一个电子加一个光子）因为这违背了能量守恒定律，或动量守恒定律，或同时违背了这两个守恒定律；同样，你也会反对电子吸收光子。但是，如果你懂得一些量子物理学，你也许会知道，能量只是在一个长的过程中守恒，而不一定在有限时间间隔里也守恒。量子力学的这一个特点，可以视为海森堡不确定性原理用到能量和时间上的一种表现形式。系统可以先借一点能量让电子发射一个光子，过一会儿，当另一个电子吸收光子时又归还这借来的能量。这个过程被称为两个电子间一个光子的“虚”交换（“virtual”exchange）。光子的发射和吸收只是量子力学的匹克威克意念①。
　　　　对任何量子场论，我们可以画一些奇特的小图，使我们能够形象地了解正在发生的事。它是由已去世的一位同事狄克·费曼发明的。图中两个电子正在虚交换一个光子，从而使它们之间发生电磁相互作用力。每一个电子用e…表示，指出它带有一个单位的负电荷。光子用一个o　标记，表示它的电中性。e＋表示正电子，它是电子的反粒子。但是，什么是反粒子呢？正反粒子对称
　　　　量子场论的发展，暗示了一种在基本粒子系统中的基本对称性，即粒子和它的“反粒子”（antiparticles）之间的对称性。每一个粒子都有一个相对应的反粒子，反粒子的行为就像该正粒子在时空作退后的运动。反粒子的反粒子就是粒子自身。如果两个粒子是各自的反粒子，那么它们就有相反的电荷（电荷大小相等但符号相反）和相同的质量。电子的反粒子称为正电子（positron），因为它带有正电荷。有些电中性的粒子，如光①　Pickwickian　Sense，匹克威克是英国作家狄更斯写的《匹克威克外传》中的主人公，他天真朴实，但喜欢想入非非——译者注子，是它们自己的反粒子。当狄拉克在1928　年提出他的电子相对论性方程时，他为量子电动力学的发现铺平了道路，不久，量子电动力学就迅速发展起来。狄拉克方程的解释指出必需要有正电子，但实际上狄拉克开始并没有预言这样一个粒子的存在，他只是指出应该有某种带正电荷的物体，它可能与质子一样。质子已由实验被证实，但它比电子几乎重2000　倍。几十年以后，我问他为什么不直接预言正电子，狄拉克用他通常那种简练的方式回答说：“纯粹是胆小（pure　cowardice）。”
　　　　以后留下的事是由实验物理学家去发现正电子。1932　年，正电子由我的已去世的加州理工学院同事卡尔·安德森（Carl　Ander…son）和英国的布莱克特（Patrick　Blackett）在实验室中发现了；几年后他们共同获得诺贝尔物理学奖。他们的实验建立在这样一个基础上：量子场论的正反粒子的对称性是一种真实的现象。
　　　　在很大程度上，标准模型可以看作是量子电动力学的一种推广：电子和正电子被很多其他正反费米粒子对补充，而光子被其他一些量子补充。正如光子是电磁力的载体或量子一样，其他量子则携带其他一些基本力。夸克很长一段时间里，人们认为粒子在基本费米子表上除了电子以外，就只有组成原子核的质子和中子了。但是这种认识是错误的，中子和质子不是最基本的。物理学家们知道，以前人们认为基本的东西后来被证明是由更小的东西组成。分子是由原子组成的。原子虽被希腊人认为是不可分割的，也被证明是由核和绕核旋转的电子组成。后来，核又被证明是由中子和质子组成，这是1932　年在发现中子后才开始明白的。现在我们又知道，中子和质子也有它们自己的组成部分：它们是由夸克组成的。现在理论物理学家们确信夸克类似于电子。（如果夸克被证明还有组成成分，那么电子也同样还有组成成分。不过在今天看来还似乎不大可能。）
　　　　1963　年，当我把核子的基本成分定名为“夸克”（quark）时，我首先只念出了这个词，并没有一个字母一个字母地拼音，这个词似乎应该是“kwork”（柯克）。后来当我偶然读到詹姆斯·乔伊斯（James　Joyce）的小说《芬尼根彻夜祭》（FinnegansWake）时，我在“对着马斯特·马克的三声夸克”这句话中得知了“夸克”这个词。既然“夸克”（只代表一种鸥的叫声）明显地与“马克”、“巴克”（bark，狗叫声）以及类似的词押韵，于是我有了藉口把它读得像kwork。但乔伊斯的小说讲的是一个叫汉弗瑞·欣登·爱尔威克的酒吧老板的梦想，因此正文中的一些词，就典型地由几个出处引出，就像《镜中世界》（Through　the　Looking　Glass）①里的一些由两个字组成的混合词一样。有时，在书中出现的词竟成了酒吧喝酒人的呼声。因此，我坚持认为这也许是多种叫声中的一种，“对着马克先生叫三声夸克”也许是“对着马克小姐要三夸脱（啤酒）”。这样，“kwork”的发音也不能说完全不合理。但不论怎么说，数字3　完全适合自然中夸克的状态。①　《镜中世界》由英国作家刘易斯·卡罗尔作，中译本为《爱丽丝漫游镜中世界》由夸克组成一个中子或质子的秘诀，粗略地说就是“叫三声夸克”。质子由2　个“u　夸克”（亦名上夸克）和1　个“d　夸克”（又叫下夸克）组成，而中子由两个“d　夸克”和1　个“u　夸克”组成。u　和d　夸克带有不同数量的电荷。在同样的单位时，电子有一个电荷（—1），质子也有一个电荷（＋1），而中子的电荷为0。使用同样的单位，u　夸克的电荷为2/3，d夸克为—1/3。显然，对质子来说，＋　＋　（…　）　=　1　，正是质子的电荷数量；对中子来说，　（…　）　＋　（…　）　＋　=0　，这也正是中子的电荷数量。u　和d　夸克有不同的“味”（flavors）。除了味以外，夸克还有另外一个重要的特点，称为“色”（color）。这儿所说的味，并不是真正冻奶酪的味，色也不是真正的颜色。色的名称几乎是一个玩笑，只是用来作一种隐喻。色有3　种：红、绿、蓝，这只是仿效人的色觉理论中有3　种基本色（在绘画时，3　原色常常说成是红、黄、蓝，但在人观察混合光的效应时，黄色被绿色代替）。组成一个中子或一个质子的秘诀是，每个夸克应有3　种颜色的夸克，即红、绿、蓝夸克各一，这样，各种颜色就消失了。因为，在视觉里白色可以看成是红、绿、蓝3　种光的混合光，我们可以用此作为隐喻，说中子和质子是白色的。被禁闭的夸克
　　　　夸克有一个非同寻常的性质，它永远被囚禁在“白色”粒子（如中子和质子）之中。只有白色的粒子可以在实验室里直接观测到。可观测到的粒子的颜色在混合时消失了，只有在这些白色粒子内才能存在有色物体。正如可观测物体的电荷总是一个整数（如0，1，—1　或者2　等等）一样，带分数电荷的粒子只能存在于白色粒子内部。
　　　　当我提出夸克的存在时，我从一开始就相信它们将以某种方式永远囚禁着。我把这些囚禁的夸克作为“数学上的”夸克，我对这个术语作了小心的解释，而且将它与“真实的”夸克相对照（“真实的”夸克可以单独出现，因此可单个地被探测到）。如此注意语言选择的原因，是我不想面对哲学上的争论。一些有哲学爱好的批评家会提出：如果夸克总是躲藏着，怎么能称夸克是“真实的”呢？但这个术语最终还是十分令人遗憾。很多作者，完全忽视我对“数学上的”和“真实的”两个术语所作的解释，还忽视下面我将描述的事实（这一事实现在已被普遍公认为是正确的），硬说我并不相信夸克的存在。一旦这种误解在通俗作品里出现了，就会使误解永远存在下去，因为许多作家会简单地相互抄袭。丰富多彩的胶子
　　　　由于夸克被禁闭，那么它们之间的力一定不同于我们熟悉的电磁力。这种不同是如何产生的呢？
　　　　两个电子之间的电磁力是由于光子的虚交换所引起，那么夸克能束缚在一块一定也是由于交换另一种量子而产生一种力的缘故。这种量子称为胶子（gluon），因为它能像胶一样把夸克粘在一起，成为像中子和质子一样可以观察的白色物体。胶子对味毫不理会——我们可以说胶子是“味盲”（flavor…blind），但它们对色十分敏感。事实上，色（color）对胶子起的作用，犹如电荷对光子起的作用，即胶子与色的相互配合和光子与电荷的相互配合一样。
　　　　与光子相比较，色的三色性要求胶子有不同的特性：对不同的色，有不同的胶子。在图13—2（a）中，一个红色夸克在虚发射一个红…蓝胶子后变为一个蓝色夸克，而这胶子被一蓝色夸克虚吸收后，这蓝色夸克就变为一个红色夸克。在图13…2（b）中一个蓝色夸克在虚发射一个蓝…绿胶子后变为一个绿色夸克，而绿色夸克虚吸收了这个胶子后变为一蓝色夸克。（顺便说一下，胶子的反粒子也是一个胶子，例如，蓝…绿和绿…蓝胶子是彼此的反粒子。）在图中选择不同味的夸克（即上、下夸克），以说明味和发射胶子的色过程无关。量子色动力学
　　　　大约在1972　年前后，我们中的许多人致力于系统地阐述一个确定的有关夸克和胶子的量子场理论。我称这一理论为量子色动力学（quantumchromodynamics，QCD），其中chromo　是希腊文一个词根，意思是color（色）。这个理论似乎是一个正确的理论，大家都这么认为，但是还有大量的数学计算工作等着我们去做，只有做完了这些计算，我们才能得知理论的定量预计是否与观测相一致，即能否证实夸克、反夸克和胶子（所有的核物体如中子和质子均由它们构成）真的按量子色动力学的规则运动。为了比较量子电动力学（QED）和量子色动力学（QCD），我们可以作一个图表来说明。在QED　里，电子和正电子通过光子的虚交换而相互作用，而在QCD　中，夸克和反夸克类似地通过胶子的虚交换而相互作用。电磁力起源于电荷；我们也可以设想色力起源于色荷　（color　charge）。电荷和色荷都守恒——电荷不能被创造也不会被毁灭，色荷也如此。
　　　　但是，这两个理论之间有一个关键的不同处：在QED　里携带电磁相互作用的光子是电中性的，而携带色力的胶子却是多色性的。由于胶子都有色，所以它们之间的相互作用就与光子不同，由此可知，QCD　的方程与QED的不会相似。现在已经知道，色力与电磁力或其他以前我们知道的力大不相同，色力在大距离并不衰减。QCD　的这一特性可以解释何以带色的夸克和反夸克以及多色的胶子，总是禁闭在诸如中子和质子这样的白色客体里。色力的作用有些像一根弦把它们束缚在一起。
　　　　虽然夸克永远被禁闭而不能在实验室里被直接探知，但人们在一些漂亮的实验里，证实质子中有夸克的存在。例如，一束高能电子流可以用来当作电子显微镜，探测质子的内部情形，而且它使人们确信夸克的存在已被证实。当我的朋友泰勒（RichardTaylor）、肯德尔（Henry　Kendall）和弗里德曼（Jerry　Friedman）为这样一个实验而获得诺贝尔物理学奖时，我感到非常高兴。（我只不过想说明，我事先就注意到这个实验是证实夸克存在的一个好办法。）QCD　显示的简单性
　　　　在一个原子核里，中子和质子被束缚在一起（但它们并没有受到监禁，可以独立地分离，不像夸克那样被囚禁）。现在已经知道，这些粒子由夸克组成，那么这些粒子间的核力如何描述呢？当我还是一个研究生时，这种力还是一个有待解决的伟大秘密。现在，大部分理论物理学家们都相信，QCD　已经给出了答案，虽然有关的计算决不能说完毕了。这种情况颇有点像原子或分子间的力的情形，虽然人们早就相信这种力，但直到20　世纪20　年代晚期才由于量子力学的发现而得到解释；这种力绝非基本力，而仅仅是电磁力（用量子力学方法处理）的间接结果。同样，核力也不是基本的力，而是色力的一种间接效应，这种色力也是由于夸克…胶子相互作用而产生。
　　　　中子和质子虽然被了解得非常透彻，但它们并非唯一可以观察到的（白色）核粒子。从40　年代晚期，首先在宇宙射线实验中粒子高能碰撞时发现核粒子态，后来在高能粒子加速器中也发现核粒子态，至今已发现几百种核粒子态了。现在，它们统统可以看成是由夸克、反夸克和胶子组成。夸克这个图式体现了量子色动力学明确的动力理论，揭示了表面上非常复杂的态模式（pattern　of　states）下潜藏着的简单性。而且，这些态都是用“强相互作用”（strong　interaction）彼此相互作用，在这种相互作用里包括核力。强相互作用的许多表现，都可以看作是基本的夸克…胶子相互作用的间接结果。量子色动力学揭示了强相互作用和核粒子态（这种相互作用的参与者）的简单性。电子和电子中微子—