王 清 揚(yáng)

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在讀博士生

一條在理論物理的大海中溺水的咸魚

研究方向：極早期宇宙、粒子宇宙學(xué)、暗物質(zhì)理論

愛好科普

在知乎著有專欄【咸魚的粒子物理入門】

接上周一的核子、強(qiáng)子與夸克

強(qiáng)相互作用與弱相互作用

王清揚(yáng)，公眾號(hào)：Naz摘星星王清揚(yáng) | 強(qiáng)相互作用與弱相互作用

今天我們介紹弱相互作用

弱相互作用也是原子核尺度上的一種短程相互作用，它的發(fā)現(xiàn)源于人們對(duì)原子核  衰變的研究。  衰變最早被認(rèn)為是原子核放出一個(gè)電子的過程。1914年查德威克發(fā)現(xiàn)在  衰變的過程中原子核損失的能量并不等于放出的電子帶走的能量，1927年更高精度的實(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這一結(jié)果。這一度使得人們對(duì)能量守恒定律產(chǎn)生了懷疑。然而，泡利卻不相信能量不守恒，他認(rèn)為可能有一個(gè)質(zhì)量極小的中性費(fèi)米子伴隨電子一起被放射出來，帶走了一部分能量，這個(gè)假設(shè)的粒子后來被人們稱為“中微子”。由于中微子實(shí)在太微小了，也不帶電荷，以至于它被提出20多年后（1956年）才被實(shí)驗(yàn)直接探測(cè)到，但這不影響1930-1956年這段時(shí)間人們對(duì)它以及它所參與的相互作用的理論研究。

話說回來，隨著1932年原子核里面的中子被發(fā)現(xiàn)，人們開始意識(shí)到原子核的  衰變其實(shí)是這樣的一個(gè)過程：
 
也就是說原子核里的中子  衰變成了一個(gè)質(zhì)子  、一個(gè)電子  以及一個(gè)（反）中微子  。這顯然是由一種不同于電磁or強(qiáng)相互作用的新的相互作用造成的，因?yàn)樗婕暗讲粠щ姷牧Ｗ?，且可以測(cè)定它的強(qiáng)度比電磁or強(qiáng)相互作用都要弱很多，也是出于這個(gè)原因人們把這種新的相互作用稱為“弱相互作用”。需要注意的是，弱相互作用沒法像經(jīng)典的電磁力或引力那樣簡(jiǎn)單地用吸引或排斥去描述，想要理解它，必須要依靠它的拉氏量。

正如我們之前一直強(qiáng)調(diào)的，研究一種相互作用的量子理論，最重要的事情就是寫出寫出這個(gè)物理系統(tǒng)的拉氏量中的  （忘記的同學(xué)再去復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)本節(jié)的第一部分_(:з)∠)_）。從前面的  衰變反應(yīng)方程式可以看到，這個(gè)由弱相互作用造成的反應(yīng)過程前后涉及到4個(gè)自旋1/2的費(fèi)米子（  、 、 、 ），于是最簡(jiǎn)單的想法就是把它們4個(gè)對(duì)應(yīng)的費(fèi)米場(chǎng)直接乘在一起：
 
這種四費(fèi)米子通過直接耦合來進(jìn)行弱相互作用的猜想由費(fèi)米在1934年提出，被稱為弱相互作用的費(fèi)米理論。費(fèi)米理論同樣可以用費(fèi)曼圖形象地表示出來，如下圖所示，它的意義見圖注。

費(fèi)米理論的  具有一種被叫做空間反射不變性的對(duì)稱性，這意味著費(fèi)米理論預(yù)言在弱相互作用的過程中存在一種守恒律——宇稱守恒。然而，在50年代人們卻搞出了一個(gè)大新聞：弱作用下宇稱其實(shí)是不守恒的！??！這個(gè)想法源于所謂的“  -  疑難”：在粒子物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)強(qiáng)子  和 ，它們質(zhì)量、電荷、自旋都一樣，但是它們通過弱作用衰變的過程中表現(xiàn)出的宇稱卻是相反的。于是在1956年楊振寧和李政道提出： 和  其實(shí)是同一個(gè)粒子，它們通過弱作用衰變表現(xiàn)出宇稱不一樣，是因?yàn)槿踝饔孟掠罘Q根本就不守恒！這個(gè)想法第二年就被吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由此人們意識(shí)到弱相互作用的費(fèi)米理論是有很大局限性的，我們需要一個(gè)存在宇稱破壞的  ！

1956-1958年，費(fèi)曼、蓋爾曼等人提出一個(gè)新的弱相互作用理論——V-A理論。這一理論可以解釋實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的宇稱不守恒，但它也存在很多問題，比如不可重整（不能通過重整化方法消除計(jì)算中的無窮大）以及破壞概率守恒。同一時(shí)期，李政道、楊振寧和施溫格也提出了一種新的弱相互作用理論——中間玻色子理論。他們猜想弱作用應(yīng)當(dāng)像電磁相互作用的QED以及強(qiáng)相互作用的湯川理論一樣，費(fèi)米子之間的相互作用都應(yīng)該通過交換一個(gè)中間玻色子進(jìn)行（如QED中兩電子通過交換虛光子相互作用，湯川理論中兩核子通過交換  介子相互作用），而不是讓這些費(fèi)米子直接耦合在一起。中間玻色子理論在一定程度上緩解了概率守恒的破壞，但是它依然不可重整，所以依然不是一個(gè)自洽的弱作用理論。由于V-A理論和中間玻色子理論的  比較復(fù)雜，這里就不寫了，感興趣的讀者可以參考李靈峰《量子場(chǎng)論》第10.2節(jié)，以及肖振軍 呂才典《粒子物理學(xué)導(dǎo)論》第8.1節(jié)。

總的來說，60年代之前人們沒能構(gòu)造出完整描述粒子間強(qiáng)or弱相互作用的理論，似乎人們已經(jīng)走進(jìn)了迷霧森林，前方一片混沌。細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，之前我們寫到誰誰提出啥啥理論的時(shí)候，用的都是“猜想”這個(gè)詞。也就是說60年代之前人們提出各種的  都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和一些簡(jiǎn)單的對(duì)稱性猜出來的，并沒有一個(gè)普遍的構(gòu)造  的方法。這是否暗示著，如果我們想得到能正確描述基本粒子間強(qiáng)or弱相互作用的  ，就必須要有某種構(gòu)造  的系統(tǒng)性方法？大家可以先歇歇眼睛，順便點(diǎn)個(gè)關(guān)注點(diǎn)個(gè)贊╰(￣ω￣ｏ)，休憩過后我們向著微觀世界發(fā)起最后的沖鋒~