高能物理学发展的回顾与展望（下，朱洪元）.pdf

高 能物 理 学 发展 的 回 顾 与 展 望 下 朱洪元 续上 期 标准 模 型 理 论 显 然还 需 要 提 高 但 今后一 段 时 期 的发 展 不 会像 ∀ 因 # 年代 ∃ # 年 代 %# 年 代 那 样 快 为 没 有 出 现 和 理 论 相矛 盾的 实 验 结 果 来 指 引理 论发 展 、 的方 向 , 、 只 能 根 据现 有理 论 研 究 的长 远 目标 和 理 论本 身所 包 含 的 内 部 矛 盾来 进 行 探 索 回 想 在本 世 纪 & ∋ 年 代 中 子 还 没有 被发 现 , 认识 , 理 论中 的基 本 参 数 只 有 六 个 ( 、∗ ) 、 左 一、 、 形一 娜 当 时 许 多 理 论 物 理学 家 期望 , − +、 假使能 建 立万 有 引 力相 , 互 作 用 和 电 磁 相互 作 用 电子 和 质 子 的 统 一 理 论 从 中 , 、 理 论上 需 要 解 释 的 无 量 纲常 数 从 0 种 增 加 到 /2 种 看来即使 . 年代 最 伟 大 的物 理 学 家 也 将 宇 宙 看 得 太 简 单 了 在 # 年 代 提 出 来 的 问 题 到 今 天 已 经 发 展 为 ( 如何 统 一 地 理 解 轻 子 层 子 光子 Α十 Α 一 & # 中间玻色 子 . 。 、 方) /01 邢 , 机, 一 0 左+ , 释 所 有 的 实 验结 果 又 能 统 一 地 将 /2 个 无 量 纲 常 数 从 , 自从 . # 年 代以 来 对 界 的 认 识扩 充 和 深 了 很 多 在 另 一方 面 我们 自然 人 也 使 我们 进 一 步 认 识 到 宇 宙 的 深广 和 我们 的 无 知 我 这 个 理 论本 身 中推 导 出 来 . 4 /# 一 , 这 将 激 励 我们 更 加努 力 向 更 高 的 目 标去 探 索 因 此和 物理 规律 的 对 称 , 要 减少 来 自这 方 面 的 参 数 , 看 来 得探 索物 理 目前 理 论 探索 中 如 大统 一 理 论 ‘/ 超对 称理论 5 6+7 89 : 7 超引 力 理 论 · 探索 但 都 没 有成 功 从 那 时 到 现 在又 发 现 了 二 种 基 本 相 互 作 用 ( 强 相 互 作 用 和 弱 相 互 作用 ≅ 发 现 了 几 百 种 前 所 未 知 的粒 子 , , “ ” 已知 物 质的 基 本 组 元 从两 种 增 加 到 0 # 种以 上 理 得到 类 似 的 结 果 近年来 , 朗道尔 Δ ‘> Ε Φ Γ + 8 等仔 细 分 析 信 息 处 理 中的 能 量 极 限 认 为 在 理 想 化 的 计算 和 测 是 等 过 程之 中 不 可避 免 , , 的能量 消 耗仅 在 于将 存 储 的 信 息 抹 去 对 于 一 个比 特 的 信 息 也 正 好 等 , 特 的信 息 能量 , 这样 殊途同归 结论 对图 . 所 示的 我们不 妨 回 头奔 的 理 想 机 器 间 题 西拉德 的 作一 定 量 的 分析 当妖 精对分 子 的位 置 在 左 , 还 是右 作 出判断 提供 正 好一个 比 , , , 分 因 此 和 对 称 性 的 破 缺 有 关 一 切 粒 子 的 质量 都 和 希 格斯场有关 质 量 不 仅 是 一 切 粒子 的 一 个 基 本 性 质 而 且 是万 有 引 力场 的 源 (曰叫 冲 友5 Δ 最少需要 , 叹 冲洲 (心 以 知 . 的 , 这 相 当于 气 体 容 积 加 倍 的真 空 膨 胀 提 供 的 功 为 灸5 魄 . 两 者正 好 得 失 相抵 , , , 而 且 不 同 代 的 粒 子之 间 的 连 系也 是 通 过 希 格 斯 场 实 现 的 但 他 利 用 信 巳 使单 分 子 气 体 膨 胀作 功 洲 , 二润 卜( 闷卜 知 , 在 另 一方 面 洲 ( Β 乎 有 利 可 图了 峨加 。 加 加 , Β≅ 理 论中 和 # 但 是且 慢 心为 卜 ≅润 , − 二 个粒 子 都 在 一侧 的 几率 是非 常 小 的 应 于极 其难 得 的 涨 落 润 对 , 需要 等 待 很 类 似 于斯摩 罗柯夫 斯 基 长的 时间 , 集信 息 更 经 济 的 方 法 , 提 出将 − 个 设想 的 利 用 布 朗粒子 来 作 功 的 机 器 实 际上 还 是行 不 通 的 通 过 以 上的 分 析 似 乎 可 以 得 出 结 论 信 息 西拉 德 机 器 祸 合 起 来 , 能 否 有 利可 处 理 所 消 耗 能 量 的下 限 还 是 由 热 力 , , , 超 弦理 论 个 无量 纲 参 数 中 绝大 部 分 来 自希格 斯 场 部 在 /2 洲卜 ≅, ‘( 加, 。 于 凌别 ? . 基 本相同 , 想 认 识 到 我 们 的 无 知 是 一大 进 步 爱 因 斯坦 和 爱丁 顿 在 他 们 的 后 半 生 中 致 力于 这种 。 , 相 当大 一 部 分就 属于 这 一 个方 面 推 导 出 来 那 末我 们 就 终 于 达 到 最 终 理 论 Χ 显然 现 象 深 处是 否 隐 藏 着更 大 的 对 称 性 , 9 8 五= > ? 、 性 有关 邢 < + 8 、 标 准 模 型 理 论和 广 义 相 对 论 中的一小 部分 参 数 来 / 竺卫! 二 / 2 0 ‘ ; · 自规 范 场和 万 有 引力 场 部 分 + . 3 、 、 胶 子 引 力 子 希 格 斯 粒子 等 一 切 粒 子 和 它 们之 间 的 一 切 基 本 相 互 作 用 ≅ 如 何 建 立 一个基 本 理 论 能 统 一地 解 将 三 个 无 量 纲 常数 、 一毒素戴石干娜细 论 中 的 基 本 物 理 参数 从 ∃ 种 增 加 到 ./ 种 、 到 的基 本 粒子 只 有 两 种 ( 电子 和 质 子 当时 已 经 发 现 的 基 本相 互 作 用 只有 两 种 ( 万 有 引 力相 互作 用 和 电磁 相互 作用 一 ! 最 近有 人 来 探 讨 仄 精 是 否有 采 图 当等 到 − 侧时 , 个 分 子 同 样 都 处在 左 妖 精 才 宋 操 纵机 器 作 功 这 些对外作功等 于 − 灸 5 Η帷 . , 而清 除 信 息所需 能 量 仍 为 夭5 Ι 呀 . , , 似 , , , 学 第 二 定 律所 规 定的 第 二 类 永 动 机 的 问世 , , 否 则将 导致 到头来 , 妖 精虽 然神 通 广 大 还 是象孙 悟 空 一 样 翻 不 出 如 来 佛 的 手掌 心 待续 , 希格 斯 场 有关 部 分 的 形 式 还 特别 繁 杂 这 和 希 格斯 场 的 祸 合 是汤 川 型 有 关 没 有 规 范场 的 祸 合 方 式 那 样 严 , 密 例 如 希 格 斯场 和 轻 子 场 、 层 子 场 的 对 角藕 合 常数 认 识 到 空 间 和时 Η = 是 一 个不 可 分 割 的 四 维 统 一 Φ ’ 体 将 空 间 的 对称 性 和 时 间 的 对 称 性 接 合 起 来 扩 大 为 , , , 庞 加 莱 对 称 性 导 致 了 狭义相对 论 引进 空 间 和 时 间 的 定 域 苹移 对 称 性 导 致 了 万 有 引 为 ? , ? 户 ( 一 . ϑ / # 一∃ 一 Κ ϑ /#一 . ? 占 ! ‘ ? / # % ϑ ! 宫 二∃ ‘ /# 对称性 ≅ 它 决 定 原子 的 结 构 、 、 阵 元 的 参数 的 目 前 的实 验 值 为 ( 2 , ( ( /. ΡΓ ( , # 。, % # 一 # 它 们相差 最 大 也 达 两 个 数 量 级 互 作 用 则决 定 原 子 核 的 结 构 和 强 子 的 结 构 引进 规 范对 称 性 的 自发 破 缺 # Κ 因 此 弄 清 楚 希格 斯 场 , 例如 ( 大 统一 理 论 有 可 能 解释 电 弱统 一 理 论 中 的 一 个重 希 格 斯 场 部分 之 所 以 包 含 有 如 此 多 参 数 的 另 一个 原 因 是 ( 轻 子 和 层 子 各有 三 代 假 使 只 有 一 代 那 末 这部分 的 参 数 就 只 有 , 个 其中 的 无 量纲 参 数 的 大 小 要 参数的值( Ρ => , “ 也 就 不 会 相 差 如 此 多 的数 量 级 & Σ, 我 们对 于 代 这 个 自 几 乎 一 无 所 知 必 须 对 之 进 行探 , 三 代 轻 子 和 层 子 的 一 部 分 性 质 虽然 差 别 很 大 不 同 代 中的 轻 子 的 超 荷和 同 位 旋相 同 , 但 不 同代 中的 层 而且 轻 子 和 层 子 的 电 荷 又 ∗ 亡 丁 产 产 声 一 产 尸 ‘ Η 翻 . 0 # 而 且 它 的 规 范场 部 分 虽 然 变 得 简单 了 但 其 希 格 斯 场 部 , 分 却变 得更 复 杂 了 不 仅 在理 论 中 带 进 了 更 多 的 参 数 , ” 高次 近 次 的 辐 射 修 正 将 低 次近 似 的 理 论 结 果修 改 得面 目全 非 “ “ ” ” 等 级 间 题 可 能 通过 引 进 超 对 称 来 解 决 但超 对 称所 要 求 的费 米子 和 玻 色子 之 间 的 对 称性 迄 今 在 实 验上还 没 有发 现 任 何 迹 象 超 对 称 粒 子 一 个 也没 有 发 , 现 此外 即 使引 进 超 对 称 还 无 法 解 决 量 子 万 有 引力 理 论 中 的发 散 困 难 相 互 匹 配 得恰巧 能 使 标 准 模 型 理 论 具 有 内 部 自洽 性 Ι 户 一 # 但 它所 预 言的 质 子 衰 变 至 今 在 实 验 上 还 没 有 发 现 而 且 还 带来 了 等 级 问 题 索 , Τ , ” “ 8 ς ‘ 原 要形式 , 等 等 的 研 究就是 属 于 这 方 面 的 探索 Ως砂 、 这 决 定 现 阶 段中宇宙 中 物 质 存 在 的 主 时 带来 了 新 的问 题 可以 将 轻 子 和 层子 排 列 成 为 下表 、 但 是 迄 今为 止 这 些 探 索所取 得 的成 就 很 有限 而且同 人工色理论 子 的超 荷 和 同 位 旋 也相 同 并 导致 电 弱相 互 作 用 的 统 而 弱 相 互 作 用 最 后 决 定 轻 子 层子 强 子 子 核 是 否稳 定 对 , 看 来 当 前 理 论 探 索 中 的 这 两 个 基本 方 向 是 对 的 是非常 重 要 的 问 题 目 前 进 行 的 如 对 称性的 动 力 学 自发 破 缺 理 论 由度 的 实 质 是 什 么 , 对 称 性结 合 起 来 、 一 理论 ( , 定域 对 称 性 量 子 色 动 力学 而 强 相 称 性 和 超 荷 空 间 中 的 定域 城 Ι Ν# 对 称性 自发 破 缺 的 物理 机 制 是 什 么Ο 的 实 质是 什么 Ο 0 , # 。 . % 一0 0# 白 导致 强 相 互 作 用 的 基本 理 论 ( 将 内部 自 由 度 中 的 同 位 旋 空 间 中 的 定 域 Γ . 一 /. ∃ # 功 分 子 的 结 构 以 及 宏 观物 内部 自 由度 中 的 色 空 间 中 的 ( , “ 、 体的微观结构 一 卫 大 小 相 差 竟 达 五 个 数 量 级 希 格 斯 场和 层子 场 间 的 非 对 角 相 互作 用 常 数 由 3 Λ Μ 矩 阵 元 表 达 决 定 这 些 矩 日 而 引 力相 互 作 电磁 相 互 作 用 来 源 于内 部 自由 度 中 的 定 域 一, / # 一. ϑ 4 力相 互 作 用 的 基 本 理 论 ( 广 义 相 对 论 用 决定 星 系 的 结 构 和 太 阳 系的 结 构 , ( 声 Φ Υ 严 · 超 弦理 论 将 一维 弦 的 概 念 取 代 点 粒子 的 概 念 沪 了 保证 理 论 的 自洽 性 从 四 维 扩 大 到 /# 维 阶群 这 种 表 在 形 式 上 和 化 学 元 素周 期 表 有 些类 似 因 , 二 阶群 ; 。 4 ( , 4 。 或 ∀# ; 将 表 达 内 部 自 由 度 的流 形 从 /. , . 0 为 将 表 达 外 部 自由 度 的 时空 流 形 , 4 二 0. 8 的 表 示 空 间 扩 大 为 咚Ν ∃ , 的 表 示空 间 一部分理论 此 正 在探 索 卜轻 子 和 层 子 是 否 也 是具 有 内 部 结 构 的 复 物 理学 家 曾 经 期 望 ( 超 弦 理 论 能 成 为表 达 物 质 的 所 有 合粒 子 基 本 组 元 和 它 们之 间 的所 有 基 本 相 互 作 用 的 规 律 的 基 本 理 论 其 中 包 括 万 有 引力 相 互作 用 而且 在 量 子 化 人 工 色理 论 则在探 索希格 斯 粒子 是 具 有 内 部 结 构的 复 合 粒 子 的 可能 性 也有 人 在 探 索 Α Π · Α 一 , , Θ# 中 间 波 色 子 也 是 具 有 内 部 结 构 的 复合 粒 子 的 可 能 以 后 不出 现 发 散困 难 性 现 有 的 实 验 结果 比 较 的 理 论 结果 还 有 很 长 的 路 要 走 因 此 探 索 物 质 结 构 的 下 一个 层 次 也 是 当 前 高 能 物 理基 础 研 究 的 一个 方 面 从 物 理学 发 展 的 历 史 看 是 物 理 学 中 两 个非常重要 的 研究 方 向 但 要从 这 种理 论推 导 出 可 以 和 , 如 何 将外 部 自 由 度 和 内 部 自由 度的 流形 紧致 化 到 目前 , 这 两 个研 究 方 向 从来 就 实 验 上观 察 到 的 流 形 , 而且又相 互 密 切 连 系 的 上 观 察 到 的 对 称 性 都 还 是 有 待解 决的 问 题 在担心 ( , 如 何 将 对 称性 破 缺到 现 在 实验 现 在 已经 超 对 称 怎 样 会 破 缺 Ο 怎样会从 理 论 中 得 到 改 Μ , 表 达 了 内 部 自由 度 中 同 位 旋 空 间 和 超 荷 空 间 之 间 的连 二 /#一 (, ‘ 这 样 的 质 量 等 级 Ο 怎样 能 得 到 /本ΞΒ / # 这样 小 的 宇宙常 数 Ο 其 中 Μ 一 / 盆7 , , ( 甜 8, 和 进 展 还 需 要 物 理 概 念 上 的 创 新 和突 破 突 破 看 来 还 得 由 突 破性 实 验 来 指 引 探 索 的 方 向 斗7 5 + Ω ! , , 可借 的 ΡΡ) 现在 美 国 已 经 批 准 建 ); Χ − 正在 筹 划 将 Δ ; ς 、 空 流形 的 结 构 。 物 质存 在 的 特 殊 形 式是 否 也 会 影 响 内部 自由 度流形 的 结构 Ο // 能 否 给 予 已 知 的 一 切 粒子 和 它 们 之 间 的 一 切 已 知 的 相 互作 用 统 一 的 理 论 反 映 Ο 实 验 还没 有能 冲 出 标 准 模 型 理 论所 反 映 的 物 理 规 律起 作用 的 范 围 的 边 界 包括外部 广 义 相 对 论反 映 了 物 质 存 在 的 普 遍 形 式 ≅ 动 量 和 能 量 如 何 影 响外 部 自由 度 时 这 种 创新 和 , 造 ; / 。 分 别 代表普 朗 , , , 自由 度 流 形 和 一 切 内 部 自由 度 流 形 之 间 都存 在 着有 机 的 连系 Ο 如 何 在理 论 上 统一 地 反 映 所 有 这 些 连 系Ο 克 质 量 和 普朗克 长 度 , 至于 复 合 模 型 的研 究 目前 还 处 于 更 原 始 的 阶 段 看 来 要 在这 两个方 向 上 的 理 论 探索 取 得 实 质 性 的 迄今为止 是 否 在 表 达 一 切 物 质存 在 形 式 的流 形 系 以 上 只 是我 们 所 面 临 的 的罗列 、 有 待 解 答的 一 部 分 问 题 , 远 不 是 全 部 有 些 问 题 已 经在 理 论 上 进 行 探 , 这 些 探 索 虽 然还 没 有 取 得 显著 的 进 展 但 是 这 种 索 + 正在讨论建 造 Σ 介 扩 建 为 瓦 # /∃ 5 < 的 Δ Ψ ) 子 工 厂 Ζ 介 子 工 厂 和 中 介 子工 厂 这些 规 划中 的 工 探 索 应 该 继 续下 去 不 能 因 为 十 几 年来 的 努 力没 有 取 得突 破 就 放弃 在 人 类 认 识 客 观 世 界 的 过 程 的历 史 长 程 建 设 不 仅 是 为 了能 在实 验 上 发 现 [ 层子 和 希 格 斯 粒 河 中 十 几 年 只能 算 是 小小 的 一段 历 程 、 , 子 将 标 准 模 型 理 论 中 的 参数 定 得更 准 进 行 更 精 密 的 , 北 京正 负 电 子 对 撞 机 在 高能 物 理 将 来 的 发 展 过 程 , 实 验 来 更严 格 地 检验 标 准 模 型 理 论 ≅ 在 现 有 能量 领 域 中 精 密 度 比 现 有 实 验 更高的 实 验 中发 现 突破 标 准模 型 理 论 的 新 现 象 甚 至 原 子 物 理 实 验 技 术和 理论计算 技 术 现 在 有 待 深 人 探 索 当 然 在 聚 粒 子 物 理 这 一 领 域 竞争 也 还 是 激 烈的 固定 靶 实 验 在 Ζ 介 子 研究 方 面 正 在 作 出很 也 已 经 提高 到 能 够 进 行 宇称不 守 恒的 原子 电 磁 跃 迁 的 Ι Ρ 也正 好 的 贡 献 甚至 美 国 的 ‘ 那 Χ 和 德 国 的 Ζ 7 Χ 在 对案 粒子 物 理 作 出贡 献 因 此 必 须 尽 力 竞争 高得多 的 能 量领 域 的 实验 中 研究 还 希望 在 比 目 前 、 中 应 该 能 够作 出 有 意 义 的 系 统 的 贡 献 在 这一 能 区 , 中 的 探 索 虽 然 已 经 进 行 了 /∃ 年 但 仍 有相 当 大 的领 域 、 用 来 定标 准 模 型理 论 中 的 某些 参数 , 进 一 步 提 高 以后 , 论 进 行严 格 的 检 验 在 精密 度 这 类实 验 还 可 以 用 来 对 标 准模 型理 , 希 望 实 验研究 在 本 世 纪 末 以 前能 历 史上 也 出 现 过 这 样 的 情 况 ( 关 键实 验 结 果 早 就 但 理 论 家长期 没 有 认识 到 它 的 重 要 性 例如 ( 早 在 /毛Ν # 年 厄 击 就 发表 了 他 的 关于 引力 质 量 等 于 惯 , 性 质 量 的 精密实 验 结 果 但 直 到 / Ν /∀ 年 爱 因 斯 坦 才 建 立 了 广义 相 对 论 其 重 要的 实验 基 础 之 一 就 是厄 击 的 实 验 其 实 已 经 出现 了 许 多 问 题 有 待理 论解 答 如 ( Ι 希 格 斯 场 和 希 格 斯 机 制的 实 质是 什 么 Ο , . 量 子 万 有 引 力理 论的 发 散 困 难 不 能 重 正 化 问 题 出 在 那里 Ο 0 、 、 过 去作 出 贡 献 的 主要 是美 国 和 西 欧 , , , 出 什 么有 重 要 意 义 的 工作 验研 究 方 面 投 资 相 当 可 观 至于 苏 联 , , 在 高 能 物理 实 但 在科 学 上 的 贡 献 不 多 , 了这 种 贡 献 、 , 我 国 的 北 京 正 负 电子 对 撞 机 能 量 虽然 不 高 但亮 度高 “ ” 只 要 能 够 充分 发 挥这 一 而 且 在 相 应 能 区下 面 有 矿 、 , 、 其次 , 京 正 负 电 子 对 撞 机 高十 倍 性 能 也 相 当 好 但 不 幸 这 一 “ 能 区下 面 没 有 矿 ” 正 像 ] ; ] 和 ] ; 5 Χ 人 一 样 做 不 优 势 是能 够 作 出 系 统 的 有 意 义 的 贡 献 的 幻 是 否 存 在 其它 尚 未发 现 的 相 互 作 用 Ο ∃ 相 互 作 用 的 传递 者 为 ( 光子 中 间 玻 色子 胶 美 德 国 在 Σ 粒 子 物 理 实 验 研 究 方 面 也作 出 了 一 系 列 贡 5 Χ Η Ρ 5 ∴ − 的 能 量 虽然 比 北 献 但 日 本并 不 成 功 的一席之地 代 、 、 劝 是 否 存 在 其它 尚 未 发 现 的 自 由度 Ο ” 、 国 苏 联 德 国这 几 个 国 家 和 地 区 有 自 己 的 高能 加速 器 自 由 度的 实 质是 什么 Ο “ , 目前 在 国 际 高 能物 理 界就 有 中国 日 本 西 欧 或 对撞 机 取 得突 破性 的 进 展 出来 , , , 只 要做 出 我 国就 能 在 国 际 高 能 物 理 界 占 有 有影 响 在 出 成 果 的 同时 , 一 定 会 出 一 大 批 人材 现在高 子 引力 子 的 存 在 及 其所 属群 表 示 由 定 域 对 称性决 定 能 物 理 实 验 研 究 是 一 个 科 技 涉 及 面 广 需 要 一 个大 集 体承担 的 科学 研 究 领域 参加 国 际 合作 当 然 也能作 出 是 什 么原 理 决 定 轻 子 和 层子 的存 在 及 其 所 属 的 群 表 示Ο 贡 献 但 贡 献 的 面 比 较 少而且窄 北 京 正 负 电 子 对 撞 , 机 要 在 科 学 研究 上 取 得 成 功 需 要 全 面 的 高水 平 从 、 % 为 什 么 有些 对称 性 是 定 域 性 的 , 而有 些 对 称 性是 整 休性 的 Ο Ρ 为什 么 轻 子和 层子 的 质 量 谱 如 此 特 殊Ο Ν 狭 义 相 对 论 表 达 了外 部 自由 度 空 间 流形 和 时 间 流形 之 间 的 连 系 定域 规 范 不变 性 表 达 了 外部 自 由 度 流 形和 内部 自由度 流形 之间的连系 电 弱统 一 理论 , , 对 撞 机 到 谱 仪 到数 据 获 取 和 分 析 都 需 要 全 面 的 高 水 平 估 计 在 这一 过 程 中 我 们 的 队伍 一 定 会 感到 很 累 , 但 攀登高峰 哪 有不 累 的 Ο ⊥ 正 是 在 这 种 全面 攀 登 的过 程 、 , 中才 能 锻 炼 出 各兵 种齐 全 各 层 次 人 材 齐全 的 队 伍 这 对 持 续 保 持 并 进一 步 提 高我 国 在 国 际 高能 物 理 界 的 地 位是 至 关 重 要 的