現在眾多的粒子物理學家,傾向於認為誇克被囚禁在強子中,要想將誇克從強子中分離出來,需要施加無限大的能量。比如,要想將π介子中的誇克與反誇克分開,使之成為獨立狀態,外界必須提供無限多的能量才能辦到,顯然這是不可能的。加速器再大,也不可能將粒子的能量加速到無限大。因此,人們隻能看到強子,無法看到自由的誇克。誇克將永遠被囚禁在強子內部,根本不存在自由誇克,這種現象稱為“誇克禁閉”。但在強子內部,束縛誇克的能量卻非常小,它們幾乎可以自由活動。
自由誇克是否存在的問題,是新的世紀之交物理學麵臨的兩大難題之一。今後,尋找自由誇克的任務仍很艱難,結果如何,人們正期盼新的世紀中能給出圓滿的回答。
質子真的不會衰變嗎?
1974年,物理學家喬治和格拉肖提出將強相互作用、弱相互作用與電磁相互作用統一起來的重要理論,稱為大統一理論。在這種理論中,預言了重子是不穩定的粒子,它也可以發生衰變。既然如此,就引發出一個令人費解的難題:質子是重子家族中重要成員,也是最輕的重子,毫無例外,質子也必然會發生衰變。但是,長期以來,人們一向認為質子是絕對穩定的,從來沒有人觀察到質子衰變的事例。理論推算,質子的壽命可長達1031年。這是個什麼樣的概念呢?相當於1031個質子,在一年中僅有一個質子發生衰變。假如利用水中的質子進行實驗的話,在一年之內,要想能夠觀察到一個質子發生衰變的事例,實驗中需要用100噸的水。因為1噸水中大約含有1029個質子,100噸水中包含的質子數剛好相當於1031個。
近20年來,包括我國在內的許多國家和地區,諸如美國、日本、印度、西歐等進行了大量的實驗研究。為了排除來自宇宙射線的影響,實驗需要在地下深處進行。比如,在深山洞裏,或者在廢舊的礦井中進行。在製作好的大容器中,裝入1000噸水,並且在許多部位安裝上探測器,一旦有質子衰變發生,立刻可以記錄下來。依照理論計算,一年當中,應當觀察到10個質子衰變的事例。令人遺憾的是,時至今日,仍未有觀察到質子衰變事例的報道。
質子究竟會不會發生衰變,這是粒子物理學領域最熱門的話題之一,它關係到大統一理論的前程與命運。因此,繼續深入探尋質子衰變的實驗研究,將成為21世紀一項世界性的重要課題。
大統一理論
19世紀,完成了電與磁現象的統一;1983年,傳遞弱相互作用媒介粒子的發現,標誌著弱-電相互作用統一的實現。進而尋找強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用的共同本源,將它們統一起來,又將成為一種罕事。而弱-電相互作用的統一,也為實現強-弱-電相互作用的統一展現了美好的前景,而大統一理論實現的關鍵在於尋找質子衰變的事例。
近些年來,有人大膽地提出,存在於自然界中,表麵看起來性質完全各異的4種基本相互作用有著共同的本源。進一步揭示它們更深層次的微觀機製,探求共同基源,將它們統一起來,是科學家們長期夢寐以求的。為實現這一目標,需要建立更大的統一理論,即所謂的超統一理論,這將是一項極為重要的理論工程和實驗工程。
強、弱、電、引力4種相互作用,盡管它們的作用強度彼此相差懸殊,性質千差萬別;但實驗中發現,在一定的條件下,作用強度可以相互轉化。例如,強相互作用和弱相互作用的強弱與粒子所處的狀態密切相關。同一種粒子,在能量足夠高的情況下,它表現出來的弱作用可以變得很強,而強作用又可以變得很弱,這樣便可減小它們之間強弱的差距。這種情況說明,各種相互作用的弱與強不是絕對的,同時也反映出它們之間存在著內在聯係。
另外,各種相互作用的傳遞機製是相同的,都是依靠中間媒介粒子來實現粒子間的相互作用。從這一點也可以看出,各種相互作用彼此之間不是相互孤立的,很可能在更深的層次中有其共同的本源,這4種相互作用隻是同一種作用的不同表現形式。正如我們在第五部分中談到的:質子與中子統稱為核子,質子和中子隻是同一種粒子的不同帶電狀態。
理論物理學家常常希望把一些表麵看來彼此分離的現象,歸結於一個簡單的理論。一旦這項工作取得成功,便標誌著物理學史上一次大的飛躍。電磁現象和弱-電相互作用的統一都是有力地證明。因此,對於各種相互作用,尋根探源,把它們統一起來,已成為物理學界一項重要的研究課題。
隨著科學技術的發展和高能量加速器與先進探測裝置的誕生,為人類探索粒子間各種相互作用的統一提供了良好的條件。深信,經過一代又一代科學工作者的潛心研究、艱苦努力,這幅誘人的畫卷一定會展現在世人的麵前。