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这两个消化炉组成一个系统

           发表时间:2013-7-15 16:25:43

周围空间中任何消化炉一点处都有带电粒子产生的静电场和磁单极产生的静磁 场,并且除了在z轴上的点外,电场强度和磁感应强度的方向都并不相同,因 此每一点处都有电磁场的动量流密度.这个动量流密度的方向在xy平面内, 沿着正向绕z轴的方向,这表明电磁场中有能量流环绕z轴流动,构成绕z轴 的角动量流.把这个角动量流对全空间积分,就得到这个系统固有的绕z轴的 角动量J.计算结果给出在自然单位制中, z Jz=ge. 按照量子力学规律,角动量沿某一方向的投影只能取整数或半整数,也就是: ge= 2n, n=0,±1,±2,. 即e=n21g, n=0,±1,±2,. 这个结果表明,如果宇宙中存在磁单极,即使只有一个,理论上就要求所有的 粒子所带的电荷一定量子化,电荷的最小单位由这个磁单极的磁荷决定.   因此寻找磁单极的实验研究有特别重要的理论意义.多年来实验物理学家 做了大量的工作,到高空上、到很深的矿井下、在地面的实验室里,用各种方 法去寻找可能存在的磁单极,到目前为止还没有能从实验上发现磁单极,还不 能判断磁单极确实存在.   

现在已经发现的粒子中具有的最大电荷是质子电荷的2倍. 自旋   所有的粒子都有确定的自转性质,称为粒子的自旋.粒子自旋角动量可以 用一个自旋量子数J来定量描写,也就是自旋角动量大小的平方等于J(J+ 2 1)...      2.各种场的能量最低的状态称为这种场的基态,当一种场处于基态时, 这种场就不能通过状态的变化释放出能量而输出任何信号,从而不会显现出直 接的物理效应,这时表现为看不到存在这种粒子.   3.场处于激发状态时表现为出现相应的粒子,场的不同激发状态表现为 粒子的数目和运动状态的不同.例如电磁场的激发状态可以表现为出现1个光 子,也可以表现为出现多个光子.电子场的激发状态可以表现为出现1个电 子,也可以表现为出现多个电子.   如果存在2个电子,系统由2个粒子组成,考虑到电子有自旋,每个电子 的自由度数是4,系统的总自由度数是8.但是从场论的观点来看,系统是1 §6. 9 7 场、粒子、真空和相互作用  1 11 个电子场,并不是2个电子场,它处于一个表现为2个电子的激发状态.这个 电子场具有无穷多的自由度,并不是只有有限多个自由度.只不过现在显现出 来的是8个自由度,其它的自由度都被 “冻结”了,而没有显现出来.实际 上,一般一个无自旋的粒子的自由度是3,但是如果粒子被约束在一个平面上 运动,则这个粒子运动的自由度就只是2,有1个自由度被冻结了.现在存在 2个电子的情形是具有无穷多自由度的电子场中,无穷多个自由度都被冻结, 只有8个自由度没有被冻结而显现出来.粒子数的变化反映为场的被解冻的自 由度数目的变化.   既然所有的电子都是同一个电子场激发状态的表现,所以电子与电子是不 可分辨的.“粒子是场的激发”是微观粒子普遍具有全同性的物理基础.   按照这样的认识,物质的两种存在形式中,场是更基本的,粒子只是场处 于激发状态的表现.   4.循环周期对称性的来源 是地球的自转.但是,我们无法根据日夜交替的特点来区分任何两天,为了能 够区分和判断它,就需要找到对称性破缺的表现.人们在长期的生活中,发现 昼夜的时间长短比例和夜间星群的分布都有相似的周期性变化,而且月亮每天 的位置和形状也不相同,后来,逐渐有了年的概念并产生了历法.   四季交替的年的周期对称性的来源是地球的公转以及地球自转轴对公转平 面有一定的倾斜.从对称性的角度来看,地球上的生活环境显现出以24小时 为周期的时间平移对称性.但是正是由于地球自转轴对公转平面的倾斜,使得 这个对称性又有了微小的破缺,它提供了不同的两天之间的区分依据,同时通 过这个破缺又显现出年的周期对称性和农历月的周期对称性.如果日的周期对 称性严格地不破缺,那就不可能显现出四季交替的年的周期对称性和农历月的 1  2第六章 粒子世界  4 周期对称性.   从一定意义上来说,运动的多样性的一个重要表现是自然界同时显现出多 种不同类型的对称性.这些对称性互相交织在一起,在演化过程中不断有对称 性发生破缺,同时往往又显现出新的对称性来.因此研究自然现象中显现的各 种对称性,研究它们产生和破缺的演化规律,是人们认识自然规律的一个重要 方面. 变换和对称的分类   一个球具有绕球心的旋转对称性,这是把球在转动前和绕球心转某一角度 后的情况进行比较而得出的结论.无论什么样的对称现象,都是与把两种不同 的情况加以比较分不开的.在数学上,将两种情况间通过确定的规则对应起来 的关系,称为从一种情况到另一种情况的变换.   物理学中对称性的观念可以概括为:如果某一现象或系统在某一变换下不 改变,则说该现象或系统具有该变换所对应的对称性.既然每一种对称性都和 某种特定的变换相联系,那么对称性的千差万别也就集中反映在与之相联系的 各种变换上.可以根据变换所涉及的对象以及变换的性质来对对称性进行 分类.   

对空间性质进行变换所对应的对称性统称为空间对称性.在3维空间中描 述物体位置和运动的参考系原点平移的变换对应的是空间平移对称性.参考系 的坐标架绕过坐标原点的任意轴旋转的变换对应的是空间旋转对称性.对时间 性质进行变换所对应的对称性统称为时间对称性.计时原点平移的变换所对应 的是时间平移对称性.   空间对称性和时间对称性是最基本、最常见的对称性,统称为时空对称 性,但并不是所有的对称性都能归入到这两类对称性之中.   各种物体的性质及其运动的不同,不仅体现在对空间和时间的描述上,还 体现在一些与空间和时间的描述相独立的其它性质上.物理学中把通过与空间 和时间相独立的其它性质的变换所体现的对称性,称为内部对称性.   黑白照相的底片和印出来的照片显示的图像是一样的,但是颜色上是 “黑”和 “白”互换,如果对底片进行 “黑白互换”的变换,就把底片变换 成 “照片”.“黑白互换”是一种颜色变换,它所体现的对称性不是空间对称 性,也不是时间对称性,它属于一种内部对称性.   在宏观物理学的范围里,内部对称性常常具有很强的直观性,因此认识内 部对称性的存在并没有很大困难.在微观范围里,内部对称性的直观性减弱 了,这并不表明内部对称性的重要性减少了.随着物理学对微观世界的探索日 益深入,认识到的内部对称性也越来越多.如同位旋、奇异数、粲数、底数、 §6. 2 8 对称、对称性和守恒量 1 5 顶数、轻子数、重子数、P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称等. 内特尔定理   在对物理 θ-τ疑难有关的全部实 验和理论工作之后指出:这个疑难的关键在于认为在微观粒子的运动过程中宇 称是守恒的.   他们指出,在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒是得到了实验的 判定性检验的,但是在弱相互作用过程中宇称守恒并没有得到实验的判定性检 验.李政道和杨振宁提出,这个疑难产生的原因在于弱相互作用过程中宇称可 以不守恒.他们进一步建议可以通过钴-

60的衰变实验来对这一点进行判定 性检验.实验的原理是利用核磁共振技术使钴-60的原子核极化,也就是使 原子核的自旋方向沿着确定的方向排列,然后观察钴-60通过 β衰变放出电 子的方向分布.如果宇称是守恒的,则包含自旋轴正向的半球方向内射出的电 子数应与包含自旋轴负向的半球方向内射出的电子数相近,即左右对称;反之 如果这两个半球方向内射出的电子数不相等,即表现出明显的左右不对称性, 则表明弱相互作用过程中宇称可以不守恒.   1957年,物理学家吴健雄精确地进行了这个实验,证实了李政道和杨振 宁提出的分析判断.当年,李政道和杨振宁获诺贝尔物理学奖.   过去人们对于守恒定律的理解比较简单,弱相互作用宇称不守恒的确立告 诉人们:各种守恒定律的适用范围可以是不同的,有些物理量在一切相互作用 1  2第六章 粒子世界  8 过程中都是守恒的,而有些物理量则只在某些相互作用过程中才是守恒的.宇 称就是人们认识的第一个只在某些相互作用过程中才守恒的相乘性守恒量.   在研究各种守恒定律时,无论涉及的是相加性守恒量还是相