第37章弱电统一
既然得出了弱力的拉格朗日量,那更进一步,把弱力的拉格朗日量中描述质量的部分拿掉,就会发现函数描述的场变成了电磁场,即弱力的玻色子失去质量后将与光子一模一样。
这并不足以描述弱电的统一,圣者萨克丽丝依然在继续着自己的演示,而格拉维斯已经有着足够的理论知识——一部分来自于遥远的传承,一部分则来自天空城那些智慧种的智慧结晶以及环深渊粒子对撞机的实验成果。
介导强力的胶子,介导电磁力的光子均没有电荷,介导着引力的引力子亦是如此,介导弱力的w玻色子却带有着电荷。
电荷是电磁力的来源,w玻色子带有电荷,就代表着弱相互作用掺杂着电磁相互作用。
而光子不带电,与z玻色子相似,光子是介导电磁力的规范玻色子,z玻色子是否同样具备着介导电磁力的作用?
如此巧合,让弱力与电磁力获得了统一的契机。
在数学模型中,有质量的规范玻色子打破了规范对称性,弱力因此不满足规范对称性。可向其中引入电磁力后,就能得到满足规范对称性的弱-电理论框架。
其预言了四个规范玻色子,可将它们分别命名为无质量的3玻色子和b玻色子,这与观测到w+w-玻色子还有z玻色子似乎毫无关系,别着急,这只是开始。
世界并不是“粒子”组成的,或者说,“粒子”其实并非粒子。
萨克丽丝龙蛋所展现的世界中,空间本身被忽略,粒子所处的“点”向着一个方向展开来,同类的粒子便在这延伸中连绵到了一起,构成一个个不同的“水面”,水面**起的波纹便是曾经的“粒子”新的面目。
由粒子构成的世界也就随之展开了,成了一个由“场”激发的世界。
电子场的激发,便是电子;夸克场激发,夸克也就显现出来;电磁场的激发,显现在世界中的便是光子;还有胶子场,wz玻色子场……整个世界所有的电子共享着同一个电子场,所有的光子亦然,其它粒子也是如此。
所谓的激发,便是场的振**,不同的场有着不同的自由度。
光的偏振方向是电磁波的电场方向,与电磁波的传播方向相互垂直,因此光的偏振只有着两个自由度——垂直偏振与水平偏振,两种偏振足以耦合成光的任意一种偏振模式。因为在麦克斯韦方程组中,只允许电场方向垂直于光的传播方向。
无质量的粒子以光速传播,如果光子获得质量,它将会停下,特拉提杜尔的光之海与光子建筑早就展现了这番奇迹。这时,就能让光子朝着偏振的方向运动,光子就获得了第三个自由度,产生第三种偏振。
这非常抽象,违背着智慧种的认知,展示回到了粒子的角度——这就是为何通常要使用不是粒子的“粒子”来描述世界构成的原因——自旋为1,拥有质量的粒子,有着三个自旋态,分别是:+1,0,-1。
而被我们熟知的光子,只有两个自选态:+1,-1
重新回到量子场中,自旋就对于粒子而言,即是场激发的自由度。
规范玻色子没有质量,如光子,有着两个自由度;而当它拥有质量时,则必须有三个自由度。
弱力的规范玻色子拥有质量,因此它的场激发有着三个自由度,是什么东西让这个平面的场获得了第三个激发的自由度呢?
答案是另外一个场,一个形态迥异于基本粒子场的场,希格斯场。
希格斯场是个复值二重态标量场,复值指带有虚数和实数的复数,二重态代表着描述希格斯场的函数有着两对复数,标量即自旋为0,其可视模型如同一个中间凸起的碗,它提供着两种震**模式,沿着碗壁和中间的凸起上下来回震**的便是有质量的希格斯玻色子,紧贴着碗底环绕中央凸起圆周运动的,是无质量的戈德斯通玻色子——一种被弱力的规范玻色子吞掉的玻色子。
一个希格斯场的拉格朗日量,两对复值就包含着四个部分,其中,第一对复值对应着两个带电的戈德斯通玻色子,第二对电荷为0的复值,其实数部分对应着一个希格斯玻色子,虚数部分对应着一个电荷为零的戈德斯通玻色子。
其中三个戈德斯通玻色子,正好对应着弱力的三种规范玻色子,即带电的w+和w-玻色子以及不带电的z0玻色子。
在希格斯场的拉格朗日量中,把描述希格斯场的部分展开,便会得到一个只带有两个变量的函数,这两个变量便是代表着希格斯场震**角度变化,即环绕中央凸起震**的希格斯玻色子;以震**半径变化,即沿着碗壁与凸起面上下来回震**的哥德斯通玻色子。
这时,在将开始那个拿掉质量项的弱力拉格朗日量,与希格斯场的拉格朗日量相加后,再进行规范变幻,并要求其满足规范对称性,我们就能发现结果中代表着格德斯通玻色子这个变量消失,质量项重新出现。
弱力的玻色子从戈德斯通玻色子中获得了额外的自由度,因此拥有了质量,这就是希格斯机制。
希格斯玻色子与戈德斯通玻色子自旋均为0,便是弱力的规范玻色子获得的额外自旋态,否则它们的自旋态将是+1与-1,就如同光子那般。
终于,展示回到了弱电统一数学模型预言的四个玻色子上。
在弱同位旋影响下,w3玻色子与b玻色子混合在了一起;弱超荷的影响下,w1和w2玻色子也混合在了一起。
由于希格斯场的自发对称性破缺,存在着破缺角度,混合的玻色子平面间也因此存在着角度,即温伯格角,或者叫弱混合角。发生混合的玻色子,混合时平面角度有所不同,因此出现了混合部分多少的差异。
较多的b玻色子与较少的w3玻色子混合形成光子,较少的b玻色子与w3玻色子混合成了z玻色子;同理,较多的+玻色子,较少的-玻色子。