精确测量弱力的物理哲学依据美国弗吉尼亚州的托马斯·杰弗逊加速

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精确测量弱力的物理哲学依据。引力|粒子|质子---

美国弗吉尼亚州的托马斯·杰弗逊加速器实验室的物理学家5月9日在《自然》杂志发表了最新的“Q—实验”成果，他们测量到迄今为止最精确的“弱力”数据，世界各国的科技媒体纷纷报道了精确测量“弱力”的成果、实验的意义和对粒子物理学的影响。“Q—实验”不是一个新的测量项目，来自20多个国家的100多位科学家组成了国际合作团队，他们经过十多年的精心实验，在弱力探测和基础物理学领域取得了重要进展。弱力是四种自然基本力的一种，人们通常对引力和电磁力比较熟悉，而对亚原子领域的强力和弱力则比较陌生。虽然对弱力的直接测量是一项极为困难的实验，但是人们在日常活动中能够感受弱力的影响，弱力是原子产生放射性现象的原因，它能激发原子核的链式反应，驱动核电厂的运行。我们的太阳像一个超级反应堆，链式反应能触发太阳内部的核聚变反应，放射性衰变释放的能量加热了地核，地热资源成为可利用的能源，医生利用低剂量的放射性来探测人们身体的病变，甚至用取代手术的放射疗法来清除夺命的细胞。

四种自然基本力分别是引力和电磁力，强核力和弱核力。牛顿万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论在不同的宏观尺度上描述了引力属性，引力在微观尺度上表现为量子引力，目前的物理学家在量子引力的研究领域未能取得突破性的发现。引力在微观尺度上是最弱的一种，而在天体物理的宏观尺度上是最强的一种，牛顿的引力理论证明了一个“天上人间”合一的哲学引力论的“等效原理”，即：苹果从树上掉落和地球围绕太阳运转遵循了同一个引力定律。

人们在微观尺度上观测不到引力的存在，却能够发现电磁力的作用，原子核和电子通过电磁力结合起来，原子核内的质子带有正电荷，原子核外的电子带有负电荷，电磁力的相互作用通过光子传递。引力是四种基本力中最弱的一种，而强力是四种基本力中最强的一种，原子核内的质子和中子，中子和质子内的夸克通过强力结合起来，强相互作用力通过一种被称之为胶子的粒子来传递。与引力和电磁力长程力的属性相比，强力和弱力属于一种短程力，它们作用的距离极短，强力的作用距离在10的负10次方米到10的负15次方米，而弱力的作用距离更短。在粒子物理学的标准模型中，粒子之间的相互作用分为四种，它们是四种自然基本力。

物理学家最早研究了原子核内质子和中子之间的强力或强核力，自从1947年以来，通过实验陆续发现了几百种表现了强相互作用的粒子，物理学家将这些粒子统称为强子，顾名思义，强子是参与强相互租用的粒子。弱力或弱核力指的是一种作用于所有粒子的短程力，这种力是原子核产生放射性的原因，也是自由中子产生衰变的动力，中子在弱核力作用下转化为质子，同时释放一个电子和一个反中微子。弱力只作用于自旋为 1/2 的物质粒子，不作用于自旋为1的光子、自旋为2的引力子。弱力比引力强得多，比强力和电磁力弱得多，精确测量弱力的大小是一项有极大挑战性的艰难实验。

弱力的相互作用取决于粒子的“弱电荷”，就像电磁力的相互作用取决于电荷、引力的相互作用取决于物体的质量一样，比如：质子的弱电荷和质子的电荷非常相似，或者粒子和“弱电荷”和粒子的电荷符合哲学属性论的“等效原理”，比如：质子的弱电荷和质子的电荷都和电磁场产生相互作用，质子的弱电荷和电磁场产生的是一种弱电相互作用，质子的电荷和电磁场产生的是一种电磁相互作用，两种相互作用的差异符合哲学属性论的“差异原理”。“Q—实验”的基本原理利用了弱力和电磁力一致性的“等效原理”，利用了弱力和电磁力差别性的“差异原理”，将物理哲学的“两个原理”结合起来，我们找到了该实验的哲理依据。

粒子物理学的标准模型成功地描述了电磁力和弱力的统一性，两种力实质上是一种力的两个方面，可以将发生在亚原子层面的这两种力融合为符合哲学等效关系的一种力。1967年，伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛大学的史蒂芬·温伯格共同提出了弱电作用的统一理论，“Q—实验”建立在弱力和电磁力统一性的基础上，只是由于弱力非常微弱，精确的测量变得非常困难，就像对反物质和引力波的精确测量变得异常困难一样。“Q—实验”科学团队的物理学家直到现在才取得了满意的、却不是实验的最终结果。“Q—实验”成果限制了发现新粒子和新基本力的可能，维护了粒子物理学标准模型的完整性和科学性，对预测那些未有发现的重粒子提供了新的认识，而发现新的重粒子通常是通过欧洲大型强子对撞机来实现的，“Q—实验”和大型强子对撞机实验形成了等效和互补的效应。

实验团队的科学家为了测量质子的弱电荷、或弱力的大小，需要进行电子和质子相互作用的实验，从大量的实验数据中判断哪些是电子和质子的电磁相互作用，哪些是电子和质子的弱相互作用。根据项目科学家的解释，质子在和电子发生的弱相互作用中表现了一种奇异的特性，弱力不遵循“对称性法则”，在分解粒子时具有一种左旋或右旋的方向偏好，这种不对称的差异性是测量弱力性质和大小的关键因素。他们将左旋和右旋的电子束抛向质子池，两种“螺旋性”相反的电子将发生弹跳，弹跳的方式取决于电子的旋向性，每散射10亿个电子，两种不同旋转方向的差异性小于300，他们通过精确测量这种微小的差异来确定质子的弱电荷。简而言之，电子在与质子碰撞时会发生散射现象，在电子和质子电磁力的相互作用中，每1万到10万次的电子散射有一次是通过弱力产生的，他们测量的质子弱电荷大约是0.0719。

（邓如山 2018-5-14 yywgs@163.com）

引力|粒子|质子---傻大方小编总结的关键词

The Q-weak experiment was conducted in Jefferson Lab's Experimental Hall C, and its goal was to very precisely measure the proton's weak charge, a term that quantifies the influence that the weak force can exert on protons. The Q-weak apparatus, shown here, was installed in the hall for the experimental run, which concluded in 2012.

Credit: DOE's Jefferson Lab