漫谈2004年诺贝尔物理学奖 62页

漫谈2004年诺贝尔物理学奖----一个向往自由的强相互作用理论吴詠时美国犹他大学物理系中国科学技术大学上海研究院清华大学高等研究中心（上海研究院，2004年10月23日） PressRelease 2004诺贝尔物理奖新闻发布三位美国物理学家获得今年的诺贝尔物理奖：他们是大卫·格罗斯，大卫·珀礼策和弗朗克·维尔切克。他们是因发现了在夸克之间强作用力的一个非凡的性质而获奖。 氦原子 亚原子世界示意图原子电子原子核夸克中子质子比例不对！ 亚原子世界示意图氦原子电子原子核夸克中子质子（比例不对） 向极小尺度推进（20世纪的成就）原子（一百亿分之一米）原子核（再小一万倍）核子（再小十倍）夸克和电子（至少再小一千倍） “物质基本粒子”周期表（每种三色）（每种无色）三代夸克轻子 SixFlavorsofLeptons 六种夸克上粲顶下奇底三代 Spin-0Mesons Spin-1Mesons Spin-1/2Baryons Spin-3/2Baryons 反夸克时间 夸克有三色红绿兰青粉黄夸克夸克带三彩反夸克带反三彩 为何叫做“颜色”?和普通颜色相似之处：夸克的“颜色”有三种。等量的混和导致白色(即无色)。其他的性质不受影响。颜色可否导致相互作用力?六十年代并不知道 WhyThreeColors?PuzzleofQuark’sStatisticsR-ratioine+e-AnnihilationNeutralPion’sElectromagneticDecayElectro-WeakAnomalyCancellation……………….. PuzzleofQuarkStatisticsExperimentalfact:SymmetryUnderstandingOrbitalpart:symmetric(S-wave)SpinandFlavor:symmetric(theaboveratio)butquarksarefermions(anti-symmetric)!Newdegreesoffreedom:Threecolors,providinganti-symmetryforhavingnocolorforaprotonconsistingofthreequarks R-ratioine+e-AnnihilationPartonModel R-ratioine+e-Annihilation 四种基本相互作用引力　　　弱　　　　电磁　　　强中介粒子作用于广义相对论标准模型（Yang-Mills规范场论）基础理论 四种基本作用力万有引力电磁作用力弱作用力强作用力基本相互作用力 力须有中介 ForceCarriersSpecialRelativity:ForcesmusthavemediatorsQuantumTheory:MediatingFieldsareParticlesgraviton00Gravitationalspin=2 PropertiesofForce-CarryingParticles 规范作用原理麦克斯韦电磁理论：电磁力作用（1849）爱因斯坦广义相对论：引力作用（1915）杨振宁-米尔斯规范作用原理（1954）格拉肖-温伯格-萨拉姆模型：电弱统一作用（1967）量子色动力学：强作用力（格罗斯、珀礼策、威尔切克，1974） 电磁作用虚光子 中子的弱衰变(uud)(udd) 夸克间的强作用力 杨振宁-米尔斯规范作用力的特点传递色荷的胶子也带色（正-反复合色） QuarksEmitGluonsandChangeTheirColor 夸克放出（或吸收）胶子同时改变自己的颜色 颜色守恒兰和反兰抵消，总的仍为红 胶子之间有相互作用三胶子作用四胶子作用 StrongInteractionbetweenNucleons NuclearForceasResidueStrongForce 七十年代以来的加速器首次运行年代质心能量新加速器尚在运行.BEPC EvidencefortheExistenceofGluon:Three-JetEventsine+e-AnnihilationQuark-AntiquarkJetsQuark-AntiquarkandGluonJets 二喷注事例夸克的直接证据 三喷注事例胶子的直接证据 杨振宁--米尔斯规范粒子的特点(落实到颜色相互作用)夸克有三色，在强作用时改变颜色。胶子是强作用力的中介粒子。胶子有（八种）复合色。胶子载带夸克颜色改变的信息。胶子之间也有颜色作用。夸克-胶子或胶子之间颜色作用同样强。颜色强作用随距离加大而增强！随能量增加而减小！（得奖工作） Pre-historyofAsymptoticFreedomCurrentAlgebraofQuarks(Gell-Mann,1965)“Naturereadsthebookoffreefieldtheory.”ScalinginDeepInelasticScattering(Bjorken,1967)PartonModelforProton(Feynman,1969)PartonsbehavelikemasslessfreeparticlesRenormalizationGroupEquation(Symannzik1971,Callan1972)Inquantumfieldtheory,togetBjorkenscalingneedsarunningcouplingconstantwithanegativeslope(asmomentumincreases) DeepInelasticScattering 高能下向往自由的迹象 QuarkandGluonPropagators GluonCouplings One-LoopPropagatorDiagramsOne-LoopVertexDiagrams 理论计算结果负号！ 实验验证结果颜色作用强度能量 QCDCorrectionstoScalingLaw 夸克囚禁高能量、小距离作用变小；另一面就是红外奴役：即低能量、大距离作用很强。这导致夸克囚禁：单个夸克不能分离出来。 夸克囚禁的意义杨-米尔斯粒子质量佯谬有了满意的答案。胶子应该像光子一样没有质量，但是没看到。答案（用了二十年）：单个胶子带颜色，由于颜色囚禁不能被分离。重子物质质量的起源：被囚禁的夸克、胶子（在笼中）的能量。QCD中颜色囚禁的机理尚未完全了解。 电、弱、强三种相互作用的统一？这三种基本相互作用都遵从杨振宁-米尔斯规范原理 粒子物理标准模型是现代物理学的伟大成就狭义相对论(Einstein)量子理论(Bohr,Heisenberg,Schrödinger,Dirac,Fermi)量子电动力学(Feynman,Schwinger,Tomonaga,Dyson)规范作用原理(Yang,Mills)量子味动力学(Glashow,Weinberg,Salam；Veltman,‘tHooft)量子色动力学 新的征途，新的挑战 当代物理学四大前沿量子操作和新器件材料：原子电子和光量子态操作、纳米结构、自旋电子学量子信息、量子计算、量子通讯、．．．复杂系统：量子多体系统、新物态、非平衡系统、湍流、生物物理、地球物理、高密度系统、．．．宇宙的结构与演化：观测新窗口（微波、X射线、γ射线、中微子、引力波）传统和粒子天体物理、宇宙学与黑洞、暗能量、暗物质．．．基本定律与对称性：标准模型、超对称、大统一、多维、量子引力、弦论．．． 73%23%KnownUnknown 结束语现代物理学的辉煌成就让我们感到骄傲。当前物理学前沿的全面挑战使我们振奋。物理学在纳米、新材料、新物态、量子信息、生物等领域的新突破将给人类社会和生活带来更深刻的变化。物理学基础理论新革命的曙光就在前头。 ThankyouforYourPatience