時間簡史Elementary Particles and the Forces of Nature－5

A Brief History of Time—-Stephen Hawking

 

5-Elementary Particles and the Forces of Nature

 

亞裏士多德認為宇宙由4種元素組成：泥土，空氣，火和水，它們在重力和上浮力的2種作用力下運動，他又認為物體可以無窮盡的分割下去。1803年英國化學家John Dalton提出，化學成分由原子（atom）為基點的分子（molecules）組成。20世紀後英國科學家James Chadwick發現物質由不帶電的中子（neutron)，帶正電的質子(proton)和帶負電的電子(elctron)組成。

 

60年代美國物理學家Murray Gell-Mann發現質子和中子由更小的物質叫quark（誇克）組成。科學家們發現一共有6種不同的quarks, 質子和中子各自含有3個不同的quarks，其他由不同quark組成的物質並不穩定，會很快轉化（decay）成質子和中子。

 

根據Quantum Mechanics （量子理論），任何微觀物質都可以用波／粒子（duality）來描述。粒子有一個內在特性：自轉(spin)，共有4種不同自轉形式，spin 1/2, spin 0, spin 1 and 2。所有可知物質可以歸納成2類：組成宇宙物質的spin 1/2， 和在微觀物質之間交換能量的spin 0, 1 and 2。

 

1928年，科學家Paul Dirac指出，組成宇宙的具有spin 1/2 特性的electron應該有一個夥伴anti-electron。現在我們知道，一個粒子如果碰撞它的anti粒子，兩個粒子會同時毀滅。那麽是什麽原因造成我們的宇宙有比anti粒子更多的粒子呢？這個問題關係到我們人類的生存。

 

量子力學認為，帶有內在spin 0, 1 and 2的微觀粒子負責物質內在力的交換，譬如，一個電子發出一個帶有一定力的微觀粒子（force-carrying particle)，它的回衝力導致這個物質本身的速率改變，而這個放射出的微觀粒子和其他物質碰撞，它的力被這個物質吸收，同時它們的碰撞也改變了這個物質的速率。從外觀來看，兩個物質之間通過各自速率的改變而進行了力的交換。

 

我們人為地把微觀粒子的力分成4類：

 

1）萬有引力：具有廣泛性，存在於每一個粒子，是一個吸引力。由於微觀粒子的質量非常小，這個力通常可以忽略不計。然而在星球之間，這個引力可以非常大，這也是為什麽地球圍繞太陽旋轉的原因。

 

2）電磁場力：這個力僅作用於帶有正負電荷的物體上，沒有正負極的物體沒有電磁力。在微觀世界中，它比萬有引力要大很多，一個電子受到的電磁力大約比萬有引力大1 million million million million million million million (1 後42個0）。正負極之間相互吸引，正正極或負負極則相互排斥。這個電磁場力導致電子圍繞質子旋轉。

 

3）弱核力（the weak nuclear force）：表現在含有spin 1/2的物質的輻射能力。

 

4）強核力（strong nuclear force）：這個強核力在中子和質子中把quarks結合在一起，在原子核中把中子和質子結合在一起。實驗顯示，在高能量下，這個強核力會大大減弱，導致quarks 和 gluons接近於自由運動。

 

科學家們把電磁場力，弱核力和強核力結合起來建立大統一理論（Grand Unified Theory GUT），認為 在高能量下，強核力變弱，電磁場力和弱核力變強，在某一高能量位點，這3種力在數值上達到一致而變成同一種力，同時在這個高位點，quarks和其他如電子，質子等，也變的彼此相似，達到結構的統一。

 

這個大統一理論最有趣的預言在於，在普通物質中具有相當比例的質子，可以自動轉化為更輕的物質比如反電子antielectrons，進而質子decay。反過來推測，宇宙在開始的高溫階段，粒子能量高到某一點時會把anti質子轉化為質子，更進一步說，把antiquarks 轉化為quarks，從而產生更多的中子，質子和電子等。我們的地球，主要由中子和質子構成，而沒有anti質子和anti中子。想象一下，如果中子和anti中子數量對等，兩組相互碰撞發出高能量輻射，而後兩者互相毀滅，就不會有我們現在的宇宙和地球。

 

直到1956年，科學家認為物理學遵循3條獨立的對稱法則C,P,T。對稱法則C認為，物理法則同時適用於粒子和anti粒子。對稱法則P認為，物理法則同時適用於各種狀態下的物質和它的鏡麵形象（mirror image）。對稱法則T認為，如果對一個粒子和它的anti粒子的運動軌道反向逆轉，整個係統會回到它的起始狀態，也就是說，物理法則同時適用於時間的前移和後推。

 

1956年，美國物理學家李政道和楊振寧提出弱核力並不遵循對稱法則P，也就是說，由弱核力導致的宇宙發展方向跟它鏡麵的發展方向並不完全一致。同年，吳振雄證明了他們的理論，李政道和楊振寧因此獲諾貝爾獎。

 

大統一理論並不包括萬有引力。在我們研究微觀物質時，萬有引力非常之小，可以忽略不計。但是，萬有引力是天體宇宙進化的主要力量，在宇宙空間遠遠大於其他力量，造成星球之間的相互吸引並可能最終吸引在一起。下一章我們要結合萬有引力和量子力學來討論黑洞理論。