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楼主: henryharry2

[建议] 量子色动力学

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 楼主| 发表于 2016-1-12 09:15:57 | 显示全部楼层

弦与场的对偶性

然而,即使对偶性没有解决启发人们发明它的问题,它仍然被证明是圈量子引力论的中心概念。这里所发生的正是一个非常好的科学思想怎样从它们的出发点传播到别的领域的非常典型的范例。通过双重几何与单重几何的对偶性,可以简单地推导出弦与场对偶性。并且似乎马上就可以找到应用,我们知道,白矮星和中子星都有很强的磁场,这个强磁场似乎就是弦(代表量子引力)与磁场对偶的结果。
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 楼主| 发表于 2016-1-18 04:34:49 | 显示全部楼层

质子自旋危机

很长一段时间里,物理学家假定质子自旋源自于组成它的三个夸克。而新的测量数据表明,胶子对质子自旋起到重要作用。恒定的自旋是质子的固有属性,像质量、电荷量一样。但至今质子自旋的来源仍是个谜,这被称为“质子自旋危机”。最初,物理学家认为质子自旋是组成它的三个夸克自旋的总和,但1987年的一个实验却显示夸克仅能解释质子自旋的一小部分,那剩余的部分如何解释呢?质子内的夸克是被胶子捆绑在一起,因此科学家认为或许胶子也是是质子自旋的原因。这一想法目前得到了两项研究的支持,这两项研究分析了在相对论重离子对撞机(RHIC,位于纽约艾普敦的布鲁克海文国家实验室)中得到的质子对撞结果。
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 楼主| 发表于 2016-1-28 14:51:17 | 显示全部楼层

洛伦兹协变性

狭义相对论对20世纪理论物理的影响至深至巨。这里最为关键的两条就是洛伦兹协变性和质能等价原理。洛伦兹协变性被量子场论当作最为重要的法律。从二次量子化中拉格朗日函数密度的构造,运动方程的建立和表示成对易关系的粒子场的量子化,都不能违背洛伦兹协变性。因此,没有洛伦兹协变性,整个量子场论根本就跨不出第一步,也跨不出后续的步伐。量子场论之所以把洛伦兹协变性当作不可动摇的法律,是因为非如此便无法确定(或假定)拉格朗日函数密度。
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 楼主| 发表于 2016-1-28 14:54:58 | 显示全部楼层

狭义相对论

基本粒子理论总而言之统而言之就是一个根据定积分数值(散射截面)猜测积分函数(相互作用哈密顿函数)的过程。这种猜测是无边无际的。有了洛伦兹协变性,猜测的范围就小得多(其实也还是无边无际)。由此可见洛伦兹协变性对粒子物理的重要性。狭义相对论对粒子物理影响至深至巨的另一个概念是质能等价原理。根据这一假定的原理,散射截面能谱图上几百个共振峰被认定为“粒子”。这是基本粒子研究失控的最重要的一个转折。没有这几百个不存在的“粒子”,也就不会有今天的标准模型。其重要性自不待言。
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 楼主| 发表于 2016-2-2 04:32:48 | 显示全部楼层

场与弦的对偶性

跟许多优美的思想一样,这一思想经过若干次尝试后确保其正确。受到Wilson和Polyakov的启发,并进一步得益于特Hooft、佩斯金(Michael Peskin)和Stephen Shenker讲授的关于格点理论的课程,Smolin依据Wilson格点理论系统地阐述了量子引力。其实,原子核壳层模型与集体模型的对偶性就是场与弦的对偶性。
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 楼主| 发表于 2016-2-8 07:31:44 | 显示全部楼层

规范对称

每个夸克都带着三种“颜色”(我们想象那是红、绿、蓝,当然这不过是一些标签,与通常看到的色彩没有一点儿关系),这些颜色决定着夸克该如何“响应”强力,就像电荷决定着对电磁力的响应一样。在得到的所有数据的基础上,我们建立了夸克间的一种对称性,那就是,同色夸克(红与红、绿与绿或蓝与蓝)间的相互作用都是相同的,不同色夸克(红与绿、绿与蓝或蓝与红)间的相互作用也是相同的。实际上,我们还从数据发现了更令人惊奇的事情。假如夸克携带的三种颜色(三个不同的强荷)都“转移” 了 (用假想的色彩来说,大概意思是,红、绿、蓝转移成黄、青、紫),甚至它们每时每刻从一个地方到另一个地方都在不停地转移,夸克之间的相互作用却一点儿也不会改变。因为这一点,我们说宇宙体现着一种强力对称性:物理学不因力荷的转移而改变 ——或者说,物理学一点儿也不知道力荷转移了。这很像我们说球体现着旋转对称性,因为不论我们在手里怎么转,不论转多大的角度,球看起来都是一样的。由于历史的原因,物理学家也说强力对称是规范对称的一个例子。
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 楼主| 发表于 2016-2-12 05:15:56 | 显示全部楼层

古怪的名字

有一段时间,许多物理学家都认为质子、中子和电子就是希腊人的“原子”。但是在1968年,斯坦福直线加速器中心的实验家们利用强大的技术力量探索了物质的微观层次,发现质子和中子也都不是基本的。反过来,他们证明了那两个“原子”都是由更小的粒子构成的,那些粒子叫夸克—一个古怪的名字,是理论物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann)从乔伊斯(James Joyce) 的小说《芬尼根守夜者》里找来的,他早就猜想可能存在着那种粒子。实验家证明,夸克本身有两种,它们的名字不那么有创意,一个叫上,一个叫下。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成。
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 楼主| 发表于 2016-2-14 05:30:29 | 显示全部楼层

Veneziano

1968年,年轻的理论物理学家维尼齐亚诺(Gabriele Veneziano)在想尽办法去弄清实验观测到的强核力作用的各种性质。他那时是欧洲核子研究中心(CERN)的研究人员,在瑞士日内瓦的欧洲加速器实验室,对那些问题已经研究了好多年。一天,他突然有了一个惊人的发现。令他惊奇的是,著名瑞典数学家欧拉(Leonhard Euler)在两百年前因纯粹数学目的构造的一个不太起眼的公式——所谓的欧拉β函数——似乎一下子就描写了强相互作用的大量性质。维尼齐亚诺的发现将强力的许多性质纳入一个强有力的数学结构,还掀起一股热浪,用欧拉β函数和它的各种推广去描写从全世界的不同的原子碎片收集来的数据。
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 楼主| 发表于 2016-2-14 05:33:35 | 显示全部楼层

一维的振动的弦

不过,维尼齐亚诺的发现从某种意义上说是不完整的。欧拉的β函数看来是有用的,但没人知道为什么;就像一个学生靠记忆用了公式,但不知道它的意义和证明。那时,β函数还是一个等待解释的公式。到1970年,情况变了。芝加哥大学的南部阳一部 (Yoichiro Nambu)、尼尔斯玻尔研究所的尼尔森(Niel-sen)和斯坦福大学的苏斯金(Leonard Susskind)揭示了藏在欧拉公式背后的物理学秘密。他们证明,如果用小小的一维的振动的弦来模拟基本粒子,那么它们的核相互作用就能精确地用欧拉函数来描写。假如这些弦足够小,它们看起来仍然像点粒子,所以还是能够与实验观测相符。
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 楼主| 发表于 2016-2-15 06:19:02 | 显示全部楼层

规范对称性

我们来看关键的一点。在广义相对论中,为使所有可能的观察立场都处于对称地位,必须要求存在引力,类似地,从外尔 (Hermann Weyl) 20世纪20年代以及杨振宁和米尔斯(Robert MUk)50年代的工作发展起来的规范对称性也要求存在另外一些力。根据杨振宁和米尔斯的观点,那些力场能完全补偿力荷的转移,从而完全地保证粒子间的物理相互作用不会改变。这很像一个灵敏的环境控制系统,通过彻底补偿任何外来的影响而使一个区域内的温度、气压、湿度保持为常数。对与夸克的色荷转移相关的规范对称来说,需要的力不是别的,正是强力。就是说,如果没有强力,物理学在上面说的色荷转移下会发生改变。这一发现表明,虽然引力和强力有许多不同的性质(回想一下,引力比强力弱得多,而作用范围却远得多),它们确实还有某种相同的特征:它们的存在是为了让宇宙享有特别的对称性。而且,相同的论证也适用于弱力和电磁力,它们的存在关联着另外的规范对称性——所谓的弱与电磁的规范对称。因此,四种力都直接联系着对称性原理。
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 楼主| 发表于 2016-2-27 05:19:52 | 显示全部楼层

夸克模型

夸克模型由Gell-Mann与Zweig于1964年所独立提出。对这种将强子视为由夸克与反夸克组成的想法的朴素运用使得人们可以从日益扩展的强子谱中看出些眉目来。同时这种朴素夸克模型看来得到了1968年由 Friedman, Kendall及Taylor在SLAC所领导的实验的支持,这一实验类似于1911年Geiger与Marsden在卢瑟福实验室所做的实验。在那一实验中 Geiger与Marsden发现α粒子有时会被金核以大角度散射,卢瑟福由此推知原子的质量集中分布在后来被称为原子核的类似于点状粒子的东西上。 同样的,在SLAC实验中人们发现电子有时会被原子核以大角度散射,这一点被Feynman与Bjorken解释为中子与质子是由点粒子组成的。这些被称为 “部分子” (parton) 的东西与Gell-Mann与Zweig的夸克有着很自然的联系。但是显然所有这些都面临一个谜团,那就是为什么我们从来没有见过任何夸克?为什么,比方说,在油滴实验中从未发现过1/3电荷?我记得Dalitz与Lipkin曾在各种会议上介绍过朴素夸克模型在强子物理中的种种成功预言。
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 楼主| 发表于 2016-3-15 05:17:08 | 显示全部楼层

探测不稳定粒子的办法

要说明探测不稳定粒子的办法,我们先要看对撞机里发生的物理过程。首先,两个质子互相碰撞,发生所谓的“硬散射过程”(Hard Process),就是质子内部结构的夸克或胶子互相对撞,这个硬散射过程能量极高,可能会产生我们“未知”的粒子,也可能只是产生一些我们熟知的粒子。这个先不谈。硬散射过程发生后,不稳定粒子马上发生了衰变(Decay),衰变可能又会产生不稳定粒子,它们会继续衰变,这就是衰变过程和次级衰变过程。然后,因为夸克胶子的不稳定性质,它们会发生强子化过程(Hadronlization),产生新的不稳定强子、质子、中子、π介子之类。有些强子不稳定啊,它们会发生强子衰变(Hadron Decay),最终产生一堆的光子电子、质子、μ子等我们熟知的稳态或亚稳态粒子(亚稳态的意思是长期看还是会衰变,但在探测器尺度内是稳定的)。
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 楼主| 发表于 2016-3-26 05:36:47 | 显示全部楼层

质子自旋之谜

夸克的自旋同样为1/2。物理学家最初假定质子中的三个夸克有两个自旋方向总是相反,相互抵消,余下一个夸克作为质子的总自旋。“这是25年前的简单想法,”布宜诺斯艾利斯大学的丹尼尔.德.弗洛里安(他是一篇7月2日发表在《物理评论快报》的新研究的领导者,)说道,“(上世纪)80年代末期,测量夸克自旋对质子自旋的贡献率成为可能,而第一次的测量结果显示贡献率为0,这令人大跌眼镜。” 事实上,随后的测量表明夸克的贡献率至多是25%,但余下的大部分(75%)却仍然下落不明。
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 楼主| 发表于 2016-4-2 05:05:09 | 显示全部楼层

M-理论

从双重几何与单重几何的对偶性可以推导出原子核的集体模型和相互作用IBM模型。形变原子核的转动能级很像双原子分子的转动能级,但是双原子分子的两个原子之间的连线像一个弦,原子核中也有弦吗?
双重几何与单重几何的对偶性相当于场与弦的对偶性,而做了双重几何到单重几何的变换后,弦服从的是量子力学的互动诠释和牛顿-庞加莱统计。所以Feynman的吸收体模型并不是完全错误,弦理论也不只是纯数学。现在有了一个原子核物理的M-理论,从场与弦的对偶性可以推导出费米气体模型和液滴模型的对偶性,弦和牛顿-庞加莱凝聚看起来像液滴。
由于引力服从的是量子力学的互动诠释,原子核物理的证据证明了量子引力的基本假设是正确的。那么,其他方面呢?例如,超对称也成立吗?
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 楼主| 发表于 2016-4-5 06:09:06 | 显示全部楼层

强CP问题

为什么在量子色动力学中CP不被破坏是粒子物理学中的一个谜。这个问题被称为强CP问题。量子色动力学不像电弱相互作用那么容易破坏CP。电弱相互作用里的规范场与费米子场组成的手性流相关,而量子色动力学中的胶子则与矢量流相关。至今为止没有任何显示量子色动力学破坏CP的试验迹象。比如假如强相互作用广泛破坏CP的话那么中子电偶极矩将相当于10 em(em是电子乘米),而试验数据证明中子电偶极矩比这个数据至少小上十亿倍。问题在于在量子色动力学中有一些公式理论上允许破坏CP。
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 楼主| 发表于 2016-4-7 06:01:22 | 显示全部楼层

想太多了

瞬子是一个有限非零运动方程的经典解,无论在量子力学还是量子场理论中。更确切地说,它是关于欧氏时空中经典场理论的运动方程的解。瞬子存在于质子、中子、超子及介子之中,即原子核内量子隧道效应的“隧道”。非Abel规范理论中被证明存在,亦即中性孤子。瞬子是杨-Mills场的自对偶解,杨-Mills场的自对偶解分成两种:自对偶解和反自对偶解,分别对应于左圆极化和右圆极化的光子或胶子。在量子色动力学里,瞬子会把左手螺旋的夸克转换成右手螺旋的夸克。
在量子引力里:黑洞视界= 瞬子。大自然又一次嘲弄了人类的智慧:理论物理学家们想太多了!实际上,大自然抄了一条近路,在黑洞视界看来,左手螺旋夸克根本就不是右手夸克的反粒子,而是右手夸克的对偶粒子,于是直接通过拓扑翻转变换将左手夸克转换成右手夸克。不要认为我们的理论是天方夜谭,美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子碰撞机以及欧洲核子中心的大型强子碰撞机的实验结果证明我们肯定是正确的。
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 楼主| 发表于 2016-5-5 05:22:56 | 显示全部楼层

无穷大

最初遇到的困难是:我们不能用数学上完美的方式来表达这一理论,而只能由一系列相继的近似来表述,其中每一个近似比起前面一些近似要来得更精确,但是没有一个近似是“精确地”正确的。看来会危及整个结构的最大困难在于下述事实:最初算出的这些“微小的修正”,诸如计算电子磁偶极矩的精确值所需要的那一些修正,却不断地给出“无穷大”的答案。
这当然是荒谬的。而到了1970年,科学家已确切地知道如何支对付这一问题。我们把量子电动力学称为是一个可重正化的理论。粗略地说,这是指下面所讲的这些。我们不得不从所谓的“裸”电子——即在其周围没有任何光子的一个电子——开始。虽然事实上,是不能把电子与它周围的光子分离开来的,但是暂且让我们忽略这一点。对于这一裸电子,我们给出它的“裸”电荷值和“裸”质量值。如果我们试着去计算这一裸电子的磁矩,我们就会遗憾地发现,它是无穷大。这是荒谬的。但是如果我们去计算当光子进入该电子的周围会发生什么时,我人就会发现这些光子产生了新的电子和正电子。虽然这一情况是直接观察不到的,但是这些添加上去的粒子却对该电子有各种各样的影响。首先,它们对电子的电荷起了一个中和屏蔽作用。这一效应称为真空极化,而它引起了电子电荷的改变。如果我们试着去计算这一电荷,哎呀,我们发现它也是无穷大。其次,这些附加的光子、电子和正电子对该电子的质量也有一个影响(它们带有能量,因此也有质量)。这一质量改变结果也是无穷大。简言之,一个真实的、“物理的”电子,它的真实电荷和真实质量与裸电子的电荷和质量是极不相同的。
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 楼主| 发表于 2016-5-30 05:28:30 | 显示全部楼层

极矢量和轴矢量的对偶性

量子反常的起源过去一直是个谜。极矢量和轴矢量的对偶性给出了量子反常的理论解释,因为ABJ反常项是一个极矢量和一个轴矢量的内积。这里我们看到,极矢量也不反常,轴矢量也不反常,称之为“轴矢量反常”反映的是量子场论专家们的小肚鸡肠。
极矢量和轴矢量的对偶性也给出了轴矢量U(1)问题的理论解释,爱因斯坦项相当于空间反演自动劈裂,相当于存在宇称相反的重子态,可是我们必须把这个破缺的对称性再粘和起来,于是宇称相反的重子态便被隐藏了起来。还可以从荷的角度来考虑轴矢量U(1)问题,核力服从电荷无关性,所以极矢量荷未必是电荷;这里极矢量荷与轴矢量荷同时存在,分别联系着极矢量U(1)和轴矢量U(1)群,极矢量的存在将轴矢量U(1)的对称性隐藏了起来,轴矢量成了“隐性基因”。
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 楼主| 发表于 2016-6-3 04:44:49 | 显示全部楼层

SU(6)

1964年,Zweig建议夸克自旋在强子内的相对取向与它们的约束性基本无关:对于介子,夸克的自旋之和是0还是1相对来说并不重要,这对重子也同样。这相当于对强子自旋的近似对称性质附加了一个判断,将这种对称性与老的SU(3)组合起来即得到SU(6)。
从SU(6)的近似对称性可以得到两个重要结果。首先,SU(6)的表示结构提供了一种更高的强子分类体系。其次,SU(6)框架下关于夸克的电磁相互作用和强相互作用的简单假设所给出的强子性质的预言与实验结果具有合理的一致性。这些结果都明显超越了单纯由八正法得到的结果。
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 楼主| 发表于 2016-6-13 05:28:25 | 显示全部楼层

为什么?

1964年,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷,是基本电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2。遵循“渐近自由”原理。其空间尺度是微观粒子中最小的,大约小于10的-19次方。夸克具有的1/3的整数倍电荷与爱因斯坦项有对应关系。但为什么是这样的呢?爱因斯坦项有三个方向,与自旋空间是正交的。
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