第168章 (無知時間線，粒子)

　4.在粒子的瞬時局域慣性系，粒子靜止，觀測到的粒子能量最小，但不一定等於零;換言之，粒子具有靜止能量(固有能量)

　。

　現在定義一個物理量

　將

　的定義式代入功能關系，有

　該式在牛頓力學(相對論低速近似)就是動能定理。

　據此，稱

　為相對論動能。

　(2)電動力學

　電動力學的基礎是麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式。

　麥克斯韋方程組是:

　在洛倫茲變換下，可以驗證，該方程組天生是協變的，無需修改;但是，引入電磁場張量(一個洛倫茲張量)替換掉電場和磁場後可以更方便地看出其協變性

　檢查等式各項的洛倫茲指標，可知麥克斯韋方程組具有洛倫茲協變性。

　帶電粒子單位體元內(粒子的體元由粒子的瞬時慣性系測量，一般稱為固有體元[1]，粒子的電荷和固有體元都是洛倫茲標量)在外電磁場中受到的洛倫茲力密度為:

　該式就是洛倫茲力公式的四維表示，顯然是協變的。

　我們只是將洛倫茲力公式和麥克斯韋方程組寫成了張量方程式，並沒有修改兩者，這說明電動力學是天生洛倫茲協變的。這是很自然的事情，因為狹義相對論的兩大基本原理建立在電磁理論符合相對性原理的前提上[1][6]。一個慣性系的觀測者僅測得電場而無磁場，相對其勻速運動的另一觀測者卻可能測得磁場的存在。狹義相對論解釋了這一現象，電場和磁場是同一個統一客體-電磁場的不同側面[6]。

　補充:

　1.關於麥克斯韋方程組的協變性

　這需要兩個假設:

　是洛倫茲四矢量以及

　是洛倫茲張量。

　2.關於

　和

　可構成一個洛倫茲四矢量

　這是一個假設[1]。

　3.關於

　是一個洛倫茲張量

　定義三維矢勢

　和標勢

　假設

　和

　構成一個洛倫茲四矢量

　，那麽

　可見

　是一個洛倫茲張量，這基於一個假設:

　和

　構成一個洛倫茲四矢量

　[1]。

　實驗檢驗

　對狹義相對論兩個基本原理的檢驗

　相關的實驗有:對光速各向同性的檢驗[7-9]、由實驗約束光子靜止質量上限[10][11]、檢驗光速與光源速度是否有關[12]等。

　時間膨脹的檢驗

　相關高精細的實驗有很多，如利用快速光學原子鍾[13]或利用穆斯保爾效應的高精度譜分辨率[14][15]等檢驗時間膨脹;在可接受的誤差范圍內，實驗結果與狹義相對論都是一致的。

　檢驗橫向多普勒效應

　假設光源發射光信號的固有頻率(在光源的靜止慣性系檢測的頻率)為

　，一個相對光源以速度

　運動的觀測者接收到的光信號頻率為

　，觀測者的速度方向和光源運動方向的夾角為

　。在狹義相對論中，光源的多普勒效應(doppler effect)可表示為

　注意到

　即使光源橫向運動，觀測者也將收到紅移(red shift)的光信號，這是在牛頓力學中不可能發生的。驗證橫向多普勒效應是對狹義相對論的有力檢驗之一[16][17]。

　洛倫茲不變性的檢驗

　擾動標準模型的拉格朗日量，使其對洛倫茲不變性有一個微小的偏離後，將會產生新的宇宙射線物理學和中微子物理學現象。相關的高能實驗能對其作出檢驗[18]。

　極限速度的檢驗

　因果律和狹義相對論要求信號的極限速度為

　圖中曲線是理論上的相對論速度-能量關系，實驗數據點的對象

　介子[18]。

　電子的相對論質量變化的檢驗

　按照狹義相對論，電子質量m將隨速度增大而增大，可通過測量電子的動能與動量來間接檢驗。

　紅色曲線是理論上的相對論動能-動量關系，藍色曲線是理論上的牛頓力學的動能-動量關系。從圖中可以看出，實驗數據點與紅色曲線較為吻合[19]。

　狹義相對論的相關實驗目前仍在進行，一部分原因是出於量子層面的，已經有許多量子引力和弦理論模型考慮了狹義相對論在接近普朗克尺度時被破壞的可能性[23-27]。

　對理論物理學的影響

　在牛頓力學統治的時代，物理學家的主要研究對象是宏觀的力學系統，牛頓力學定律是在這一宏觀尺度上經驗總結和實驗推斷的結果。從電磁學現象的發現到狹義相對論的建立，研究對象的尺度發生改變，問題實際上涉及到高速運動的微觀粒子。狹義相對論就是在這裡發揮巨大威力的。比如，德布羅意利用相對論能量動量關系提出了物質波假設和德布羅意關系，托馬斯考慮了相對論運動學效應後才給出正確的自旋軌道耦合相互作用。

　在狹義相對論中，信號傳播的極限速度是光速，相互作用只能是定域的，這一理念是愛因斯坦早期反對量子力學完備性的強烈理由[20]。愛因斯坦的質疑推動了隱變量理論和貝爾不等式的檢驗，最終物理學家發現了量子力學的固有非定域特征。

　物理學家研究微觀世界，離不開量子場論，而量子場論是建立在量子力學和狹義相對論的基礎上的[21]。

　除了啟發和指導新理論，狹義相對論對物理學家思考問題的方式產生了深遠的影響。洛倫茲群反映連續的時空對稱性，它要求物理的拉氏量應具有時空轉動(boost)和空間旋轉不變性，這啟發物理學家去發現系統潛在的自由度和對稱性，如宇稱、同位旋、規范對稱性等。

　狹義相對論的困難

　在創立狹義相對論以後，愛因斯坦認識到該理論存在兩個嚴重的困難[22]:

　1.狹義相對論在眾多的參考系中，承認了慣性參考系相比其他參考系具有優越性，物理學規律在所有慣性系中都是平權的;然而，慣性系本身卻無法被定義。

　2.愛因斯坦無法將萬有引力定律納入狹義相對論的框架，萬有引力定律無法被修改為洛倫茲協變的形式。

　通過對這兩個困難的思考，愛因斯坦創立了廣義相對論。

　“唉！”

　“看我的萬粒天神！”

　“原子核

　既然電子帶負電荷[5]，而原子呈電中性，很明顯，原子內部必然有另外的帶正電荷的粒子，以抵消電子的負電荷。20世紀初葉，工作於曼徹斯特的新西蘭裔物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)(後來繼湯姆孫任卡文迪什實驗室主任)證明，這一正電荷與原子的大部分質量一起，都集中在很小的中心核內。

　原子核結構

　起初人們認為，原子核是電子與荷正電的質子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什實驗室工作的詹姆斯·查特威克(James chadwick，1891—1937)才發現了不帶電的質量幾乎與質子一樣的中子。於是原子核被解釋成由強核相互作用，或強力，維持在一起的質子和中子的集合。

　那時，這三種粒子——電子、質子和中子

　——似乎是構成一切物質的僅有基本粒子，但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實驗卻表明，還存在其他類型‘亞原子’粒子;不過這些‘新’粒子是不穩定的，它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射，以我們熟悉的電子、質子和中子告終。

　重要的是應該懂得，這些新粒子根本不是存在於粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質子)的‘內部’;它們是從注入加速器的能量中，按照阿爾伯特`愛因斯坦的公式(或者，在所討論的情況下，更恰當的是)創造出來的。

　然而，在它們的短暫壽命期間，它們是具備質量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子，應該曾經在大爆炸的高能條件下大量出現。

　介子

　物理學家不知道如何將這些粒子納入一個圓滿的物理理論，他們試圖解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什麽東西製造的呢?

　誇克

　誇克的組成

　1964年物理學家蓋爾曼提出誇克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做誇克quark。誇克模型經過幾十年的發展，已被多數物理學家接受[6]。

　有一段時期，局面極其混亂。但1960和1970年代發展的誇克理論使局面趨於明朗。誇克理論認為，所有已知粒子可以分成兩族。一族由誇克組成，能夠‘感知’只在誇克之間起作用的強力，叫做強子。另一族叫做輕子，它們不能感知強力，但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用)，比如，放射衰變(包括β衰變)過程就是弱相互作用引起的。強子既能參與強相互作用，也能感知弱力。

　輕子

　是名副其實的基本粒子，它們不由任何別的東西構成。典范的輕子就是電子，電子與另一種叫做中微子(嚴格說應是電子中微子)的輕子相伴生。當電子參與放射衰變這類過程時，總有中微子卷入。

　輕子

　由於一些無人知曉的原因，這一基本圖像已經複製了兩次，產生了三‘代’輕子。除電子本身外，還有比較重的叫做μ介子，它們除了比電子重207倍外，完全像是電子;還有一種甚至更重的粒子叫做t粒子，它的質量接近質子的兩倍。這兩種重電子各有其自己的中微子，所以輕子族有六種(三對)粒子。雖然μ介子和t粒子都能在粒子加速器中用能量製造或從宇宙線產生，但它們很快衰變，轉化成電子或中微子。

　強子族

　強子族本身又再分為兩類[7]。由三個誇克構成的粒子叫做重子，就是我們常說的‘物質’粒子，包括質子和中子(重子和輕子都是費米子族的成員，費米子實際上是普通物質粒子的別稱)。由成對的誇克構成的粒子叫做介子，它們是攜帶基本力的粒子，盡管還有其他的介子(這些力的載體和其他介子又稱為玻色子)。

　只需要兩種誇克(它們的名字很怪，叫做‘上’誇克和‘下’誇克)就能解釋質子和中子的結構。一個質子由通過強力維持在一起的兩個上誇克和一個下誇克構成，而一個中子由通過強力維持在一起的兩個下誇克和一個上誇克構成。

　力本身可視為膠子的交換，而膠子本身又由誇克對組成，因而是介子。

　正如輕子族複製了三代，誇克族也如此。雖然只需要兩種誇克來解釋質子和中子的本質，但複製的兩代誇克卻一代比一代重，其中一代叫做‘奇’誇克和‘粲’誇克，最重的一代叫做‘底’誇克和‘頂’誇克。和重輕子一樣，這些粒子能夠在高能實驗中產生(因而大爆炸時必定大量存在過)，但迅速衰變成它們的較輕對應物。雖然不可能分離出單個誇克，但粒子加速器實驗已經提供了誇克族所有這六個成員存在的直接證據;最後一種(頂)誇克是芝加哥費密實驗室的科學家於2007年找到的。

　對誇克的質量和其他性質的研究表明，不可能有更多代的誇克，只能有三族誇克和三族輕子。幸而標準大爆炸模型也認為不可能存在多於三代的粒子;不然的話，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應該驅動宇宙過快地膨脹，從而使留存下來的氦含量與極年老恆星的觀測結果不符(見aβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據之一，表明粒子物理學和宇宙學兩者的標準模型對宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠。

　但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其內容物的行為中基本不起作用。我們在宇宙中看到的每樣東西都能用兩種誇克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明;確實，由於單個的誇克不能獨立存在，我們看到的每樣東西的行為，仍然能夠用1932年就已經知道的電子、中子和質子再加上電子中微子，以及四種基本力，相當準確地予以近似說明。

　最新進展

　電子可分

　量子計算機。

　英國劍橋大學日前發布新聞公報說，該校研究人員和伯明翰大學的同行合作完成了這項研究。公報稱，電子通常被認為不可分。但1981年有物理學家提出，在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。

　劍橋大學研究人員將極細的“量子金屬絲”置於一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個原子寬度，並將它們置於約零下273攝氏度的超低溫環境下，然後改變外加磁場，發現金屬板上的電子在通過量子隧穿效應跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和空穴子[8]。

　研究人員說，人們對電子性質的研究曾掀起了半導體革命，使計算機產業飛速發展，又出現了實際研究自旋子和空穴子性質的機會，這可能會促進下一代量子計算機的發展，帶來新一輪的計算機革命。[3]

　發現新粒子

　2009年03月27日搜狐科學消息[3]:據美國《國家地理》雜志報道，科學家這周宣布，他們在美國伊利諾斯州的費米國家加速器實驗室裡發現了一種奇異的新粒子，完全無法用現有理論對它進行解釋，它將可能打破現有物質構成的所有已知規則。這個新發現的粒子稱為Y(4140)，它不符合二種物質構成的已知模式，甚至科學家還沒有確定Y(4140)是由什麽組成的。

　費米國家加速器實驗室

　科學家一直認為誇克能以各種行之有效的方式結合在一起形成其他較大的亞原子粒子，一種模式是由誇克-反誇克對形成的介子，另一種模式是由3個誇克組成的重子，如質子和中子。“但我們發現的這種新粒子不屬於這些誇克組合，這令人驚奇，”美國佛州大學的雅各布·科尼格斯伯格說，“據我們所知，如果你試圖將誇克-反誇克對組合在一起，你不可能建造出這種粒子。”

　粒子物理學家表示，此次發現的Y(4140)粒子是這些實驗室觀察到的具有類似非常規屬性的粒子家族成員之一， www.uukanshu.net 是由二束粒子以近光速的速度彼此劇烈碰撞產生的，這樣發現新粒子Y(4140)的機率大約為百億億分之二十。費米實驗室的科學家發現，Y(4140)粒子在衰變過程中常常產生包含有一個底誇克(稱為b+介子)的粒子。對費米實驗室的數萬億次質子和反質子碰撞進行篩選後，科學家們確定了一個以非常規方式衰變的b+介子的小樣本。進一步分析表明，這些b+介子可衰變成Y(4140)。此外，科學家還發現Y(4140)粒子可衰變成一對其他粒子———J\/psi和phi粒子，物理學家認為它可能是一個粲數和反粲數誇克組合。但是，對於這樣的一個構成來說，其衰變特性有違常規。

　日本高能實驗室發言人、物理學家山內正則說，這是首次證實一個新的意想不到的Y態新粒子可衰變為J\/psi和phi粒子。這個Y態可能和之前他們發現的Y(3940)有關，也可能是含有粲數誇克的外來強子的又一個例證。這些外來的誇克組合不屬於已知的介子和重子，理論物理學家正在對它們的真實性質進行破解，實驗人員也在繼續努力尋找更多這樣的粒子。

　這一新粒子的發現向那些深諳誇克如何結合形成物質的粒子物理學家發出了挑戰。加上美國宣布發現了罕見的單頂誇克和其它幾項發現，物理學家實際上離尋獲希格斯玻色子(所謂的上帝粒子)已越來越近了，但他們現不得不重新思考物質是如何構成的。”