描寫引力相互作用的理論是“量子引力動力學”,簡稱QGD。按照這種理論,傳遞引力相互作用的粒子叫做引力子。這種粒子的靜止質量為零,與光子一樣。自旋是I,屬於玻色子。理論預言這種粒子是存在的,但至今還未找到這種粒子存在的跡象。
研究粒子間電磁相互作用規律的理論是“量子電動力學”,簡稱QED。在10-16米範圍內,這種理論與實驗結果符合得相當好,傳遞電磁相互作用的粒子是光子。由於光子隻參與電磁相互作用,因此,隻要有光子出現,這種相互作用必定是電磁相互作用。不論在宏觀領域,還是在微觀領域,電磁相互作用都起著相當重要的作用,在幾種相互作用中是獨一無二的。
有關強相互作用的理論建立得比較晚,稱為“量子色動力學”,簡稱QCD。是近三四十年建立和發展起來的理論。由於這個理論取得的一些成果,得到了實驗的支持,因此,現在已被普遍接受。傳遞強相互作用的粒子稱作膠子。
幾乎所有的粒子都參與弱相互作用,主要的表現形式是粒子的衰變。1896年,放射性的發現,一個原子核自發地放射出一個電子,轉變成為一個新的原子核,這種β衰變過程是人們發現最早的弱相互作用現象,雖然至今已有一個世紀,但這種相互作用對大多數人來說還是很陌生的。為了探索粒子之間弱相互作用的基本規律,許多人在這方麵做了大量的研究工作,建立了各種不同的理論學說。目前看來,研究弱相互作用比較成功的理論為“量子味動力學”,簡稱QFD。這種理論預言,傳遞弱相互作用的中間粒子稱為中間玻色子,符號W。隻要這種媒介粒子的質量足夠大,便可以使弱相互作用的力程相當短,以至於好像隻有當這些粒子直接接觸時,才能起作用。
到了20世紀80年代,超高能加速器問世以後,傳遞弱相互作用的中間玻色子相繼發現,一共有三種,分別是W+、W-、Z°,理論預言變成了現實,被讚譽為自晶體管發明以來的幾十年間,是物理學上最重要的發現,這無疑對粒子物理的研究將起著巨大的推動作用。
相互作用統一
存在於自然界中,表麵看起來完全不同的四種基本相互作用,如何將它們統一起來,探尋共同的本源,揭示更深層次的微觀機製,這無疑是科學家們長期夢寐以求的。
19世紀,物理學最大的成就之一就是將電與磁統一起來,現代文明的很多方麵都是電磁統一理論的產物,這件事使人們受到啟迪。愛因斯坦生前就致力於引力相互作用與電磁相互作用統一工作的研究,雖然在他有生之年未能實現自己的夙願,但他的工作確給人們留下了深深的思索。如今,隨著科學技術的發展和高能量加速器的問世,為人類探究粒子間各種相互作用的統一工作提供了可能。
弱相互作用與電磁相互作用的統一問題是繼電與磁統一之後又一驚人之舉。表麵看來,這兩種相互作用差別很大:作用強度相差懸殊,作用力程相差十萬八千裏,傳遞相互作用粒子的質量是粒子大家族中的兩個極端,若把它們統一起來談何容易。
在人類認識大自然的過程中,常常會遇到這樣或那樣的困難,這是不利的一麵;然而,這些困難往往又會成為奮發向前的動力。人們正是在解決一個又一個的困難中,不斷探求客觀規律的真諦。在弱-電統一研究工作中,遇到的情況自然也不例外。
盡管弱、電相互作用之間存在著這樣或那樣的不同,但也並不完全排除它們之間存在著共同的屬性,隻是人們尚未認識到。但是,有一點是非常明顯的,那就是傳遞相互作用的微觀機理是一樣的,都是依靠中間媒介粒子;另外,光子和W+、W-、Z°粒子都是玻色子,它們之間很可能存在著某種血緣關係,這些都使人們看到了弱-電統一的一絲曙光。
1967年,溫伯格首先提出了弱-電統一的理論;幾個月以後,薩拉姆也獨立地提出了類似的理論,這就是轟動一時的溫伯格-薩拉姆弱-電統一理論。按照這種理論建立起來的模型稱為溫伯格-薩拉姆模型。在這種模型中,曾預言存在有中性流。為了在實驗中尋找中性流,西歐核子研究中心研製出長5米、重達10噸的大型探測裝置——氣泡室,用來探測中性流的蹤跡。1974年,利用這種裝置找到了中性流存在的事例。中性流的發現,間接地證實了中間玻色子的存在,這是物理學近幾十年來的重大發現,無疑是對溫伯格-薩拉姆理論的有力支持。1983年,W+、W-、Z°粒子相繼發現,標誌著弱-電統一理論的實現,在人類探索物質微觀世界的史冊上占有光輝的篇章。