장8 [제5장 소립자와 자연의 힘]
아리스토텔레스는 우주의 모든 물질이 흙, 공기, 불, 물의 네 가지 기본 요소로 구성되어 있다고 믿었습니다.이러한 요소에 작용하는 두 가지 힘이 있습니다. 지구와 물이 가라앉는 경향을 나타내는 중력과 공기와 불이 상승하는 경향을 나타내는 부력입니다.우주의 내용물을 물질과 힘으로 나누는 이러한 구분은 오늘날까지 계속되고 있습니다.
아리스토텔레스는 물질이 연속적이라고 믿었습니다. 즉, 사람들은 물질을 제한 없이 점점 더 작은 조각으로 나눌 수 있습니다. 즉, 사람들은 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 입자를 얻을 수 없습니다.그러나 데모크리토스(Democritus)와 같은 소수의 그리스인들은 물질의 고유한 세분성을 주장하고 모든 것이 서로 다른 종류의 많은 수의 원자로 구성되어 있다고 믿었습니다(그리스어로 원자는 나눌 수 없음을 의미함).논쟁은 어느 쪽도 실제 증거 없이 수세기 동안 진행되어 왔습니다.1803년까지 영국의 화학자이자 물리학자인 존.Dalton은 화합물이 항상 특정 비율로 결합된다고 지적했습니다.이 사실은 분자라는 단위가 원자로 구성되어 있음을 설명하는 데 사용할 수 있습니다.그러나 두 학파 사이의 논쟁이 원자론의 승리로 끝난 것은 20세기 초가 되어서였다.아인슈타인은 물리학의 중요한 증거를 제공했습니다.특수상대성이론에 관한 그의 유명한 논문 몇 주 전인 1905년에 발표된 또 다른 논문에서 그는 액체에 떠 있는 작은 먼지 입자의 이른바 브라운 운동이 불규칙하고 무작위적인 운동이라는 것을 보여주었다. 액체 원자와 먼지 입자의 충돌.
당시에는 이미 원자가 결국에는 나눌 수 없는 것이 아니라는 의심이 있었습니다.몇 년 전 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지의 연구원인 톰슨은 전자라고 하는 물질 입자의 존재에 대한 증거를 보여주었습니다.전자는 가장 가벼운 원자보다 천 배나 작은 질량을 가지고 있습니다.그는 현대식 텔레비전 브라운관과 매우 유사한 장치를 사용했습니다. 전자는 뜨겁게 달궈진 금속 필라멘트에서 방출되며 전자는 음전하를 띠기 때문에 전기장에 의해 인광체로 코팅된 화면으로 가속될 수 있습니다.전자가 화면에 부딪치자마자 여러 개의 섬광을 생성합니다.곧 이 전자들이 원자에서 나와야 한다는 것을 깨달았습니다.영국의 물리학자 에른스트.Rutherford는 마침내 1911년에 물질의 원자가 내부 구조를 가지고 있음을 증명했습니다. 원자는 다수의 전자 주위를 도는 매우 작은 양전하를 띤 핵으로 구성되어 있습니다.그는 방사성 원자의 양전하 방출을 기반으로 합니다.이러한 결론을 도출하기 위해 입자와 원자의 충돌로 인한 편향 현상과 이러한 편향 방법을 분석하였다.
처음에는 원자핵이 전자와 양성자라고 하는 다양한 수의 양전하를 띤 입자로 구성되어 있다고 생각했습니다.양성자는 물질의 기본 단위로 간주되기 때문에 첫 번째라는 그리스어 단어에서 파생됩니다.그러나 케임브리지에 있는 러더퍼드의 동료 중 한 명인 제임스.1932년 채드윅은 핵이 양성자와 거의 같은 질량을 가지지만 전하를 띠지 않는 중성자라고 불리는 또 다른 입자를 포함하고 있다는 사실을 발견했습니다. 나는 동료입니다.나중에 그는 다른 사람들과의 다툼 때문에 학장직을 사임했습니다.전쟁 후 돌아온 젊은 연구원 그룹이 수년 동안 자신의 직책을 맡았던 많은 나이든 연구원을 선출한 후 열띤 토론이 있었습니다.이 일은 내가 가기 전에 일어났습니다; 나는 논쟁이 막바지에 이르렀을 때인 1965년까지 아카데미에 가입하지 않았습니다.모트 경도 비슷한 주장에 사임했다.
20년 전까지만 해도 사람들은 항상 양성자와 중성자가 기본 입자라고 생각했습니다.그러나 고속에서 양성자를 다른 양성자 또는 전자와 충돌시키는 실험은 그들이 실제로 더 작은 입자로 만들어졌다는 것을 보여줍니다.Caltech의 머레이.겔만은 이 입자를 쿼크라고 명명했습니다.그는 쿼크에 대한 연구로 1969년에 노벨상을 받았습니다.이름은 James에서 유래되었습니다.Joyce의 신비한 인용문: Muster Mark를 위한 세 개의 쿼크!quark라는 단어는 quart로 발음해야 하지만 마지막 문자는 t 대신 k이며 보통 종달새(lark)와 운이 맞습니다.
쿼크에는 각각 업, 다운, 스트레인지, 참, 바텀, 탑이라고 부르는 최소 6가지 종류의 쿼크가 있습니다.각 맛에는 빨강, 녹색 및 파랑의 세 가지 색상이 있습니다. (이 용어는 단지 표기법일 뿐이라는 점을 강조해야 합니다. 쿼크는 가시광선의 파장보다 훨씬 작기 때문에 일반적인 의미에서 색상이 없습니다. 이것은 현대 물리학자들이 새로운 입자의 이름을 지정하고 새로운 현상.그리스어로만 제한하십시오!) 양성자 또는 중성자는 각 색상에 대해 하나씩 세 개의 쿼크로 구성됩니다.양성자는 2개의 업 쿼크와 1개의 다운 쿼크로 구성되며, 중성자는 2개의 다운 쿼크와 1개의 업 쿼크로 구성됩니다.우리는 다른 종류의 쿼크(이상한 쿼크, 매혹된 쿼크, 바닥 쿼크, 상단 쿼크)로 입자를 만들 수 있지만, 이 모든 쿼크는 훨씬 더 무겁고 매우 빠르게 양성자와 중성자로 붕괴됩니다.
우리는 이제 원자나 그 양성자, 중성자 모두 나눌 수 없다는 것을 압니다.문제는 세상의 모든 것의 가장 기본적인 빌딩 블록을 구성하는 실제 기본 입자가 무엇입니까?빛의 파장은 원자 규모보다 훨씬 크기 때문에 일반적인 방식으로 원자의 일부를 볼 수는 없지만 훨씬 더 짧은 파장을 가진 것을 사용해야 합니다.지난 장에서 보았듯이 양자역학은 사실상 모든 입자가 파동이며 입자의 에너지가 높을수록 해당 파동의 파장이 짧아진다는 것을 알려줍니다.그래서 우리가 이 질문에 줄 수 있는 최선의 대답은 우리가 상상할 수 있는 입자 에너지가 얼마나 높은가에 달려 있습니다.이러한 입자의 에너지는 일반적으로 전자 볼트라는 단위로 측정됩니다. (톰슨의 전자 실험에서 우리는 그가 전기장을 이용하여 전자를 가속시켰고, 1볼트의 전기장에서 전자가 얻는 에너지가 1전자볼트임을 보았다.) 19세기에 사람들이 입자를 사용할 줄 알았을 때 에너지가 연소와 같은 화학 반응에 의해 생성되는 몇 전자볼트의 낮은 에너지일 때 사람들은 원자가 가장 작은 단위라고 생각합니다.Rutherford의 실험에서 알파 입자는 수백만 전자 볼트의 에너지를 가졌습니다.보다 최근에, 우리는 전자기장을 사용하여 입자에 처음 수백만 전자 볼트, 그 다음에는 수십억 전자 볼트의 에너지를 제공한다는 사실을 알고 있습니다.이런 식으로 우리는 20년 전에 기본이라고 생각되었던 입자가 실제로는 더 작은 입자로 구성되어 있다는 것을 압니다.더 높은 에너지를 사용하면 이러한 입자가 더 작은 입자로 구성된다는 것을 알 수 있습니까?가능해야 합니다.그러나 우리는 자연의 궁극적인 구성 요소에 대한 지식을 이미 가지고 있거나 거의 가지고 있다고 믿을 수 있는 몇 가지 이론적 근거를 가지고 있습니다.
지난 장에서 논의한 파동-입자 이중성을 이용하여 빛과 중력을 포함한 우주의 모든 것을 입자로 설명할 수 있습니다.이 입자에는 스핀이라는 속성이 있습니다.스핀은 축을 중심으로 회전하는 작은 팽이로 생각할 수 있습니다.그러나 이것은 오해의 소지가 있습니다. 왜냐하면 양자 역학은 입자가 잘 정의된 축을 가지고 있지 않다고 알려주기 때문입니다.입자의 스핀이 실제로 우리에게 알려주는 것은 입자가 다른 방향에서 어떻게 보이는가입니다.스핀이 있는 입자는 점과 같습니다. 모든 방향에서 동일하게 보입니다(그림 5.1︱i).하나의 스핀을 가진 입자는 화살표와 같습니다. 다른 방향에서 다르게 보입니다(그림 5.1︱ii).입자는 완전한 원(360°)으로 회전했을 때만 동일하게 나타납니다.스핀 2를 가진 입자는 양방향 화살표와 같습니다(그림 5.1︱iii): 반원(180°)을 회전하는 한 동일하게 보입니다.유사하게, 더 높은 스핀 입자는 전체 회전의 더 작은 부분을 통해 회전할 때 동일하게 보입니다.이 모든 것은 매우 간단하지만 놀라운 사실은 일부 입자가 한 턴 후에도 여전히 다르게 보이고 두 번의 완전한 턴을 거쳐야 한다는 것입니다!이러한 입자는 스핀이 1/2입니다.그림 5.하나
우주의 알려진 모든 입자는 우주의 물질을 구성하는 스핀 1/2 입자와 물질 입자 사이에 힘을 일으키는 스핀 제로(1, 2 입자)의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.물질 입자는 소위 Pauli Exclusion Principle을 따릅니다.오스트리아의 물리학자 볼프강입니다.Pauli는 1925년에 그것을 발견했고, 그는 1945년에 노벨상을 받았습니다.그는 모범적인 이론물리학자였기 때문에 어떤 사람들은 그의 존재가 같은 도시에서 실험을 잘못하게 만들 수도 있다고 말했습니다!파울리 배타 원리는 두 개의 유사한 입자가 같은 상태에 존재할 수 없다는 것입니다. 즉, 불확정성 원리에 의해 주어진 한계 내에서 동시에 같은 위치와 속도를 가질 수 없습니다.배제 원리는 왜 물질 입자가 스핀 0, 1, 2의 입자가 가하는 힘의 영향을 받아 매우 조밀한 상태로 붕괴되지 않는지 설명하기 때문에 중요합니다. 물질 입자가 거의 같은 위치에 있으면 속도가 달라야 합니다. 즉, 같은 장소에 오래 머물지 않습니다.배타 원리가 세계 창조에 작용하지 않았다면 쿼크는 연결이 끊어지고 잘 정의된 양성자와 중성자를 형성하지 못했을 것이며, 이들은 전자와 연결이 끊어지고 잘 정의된 원자를 형성할 수 없었을 것입니다. .그것들은 모두 무너져 대략 균일한 걸쭉한 수프를 형성할 것입니다.
폴까지.Dirac은 1928년에 이론을 제시했지만 전자와 다른 스핀 1/2 입자는 잘 이해되지 않았습니다.Dirac은 나중에 케임브리지에서 루카스 수학 교수로 선출되었습니다(뉴턴이 맡았고 현재 제가 맡고 있는 직책).Dirac의 이론은 양자 역학과 특수 상대성 이론과 일치하는 최초의 이론이었습니다.전자의 스핀이 1/2인 이유, 즉 완전한 원을 돌릴 수는 없지만 이전과 동일하게 보이도록 두 번 돌릴 수 있는 이유를 수학적으로 설명합니다.또한 전자는 짝을 반전자 또는 양전자로 가져야 한다고 예측했습니다.1932년 양전자의 발견은 Dirac의 이론을 확증했으며, 이 이론으로 1933년 노벨 물리학상을 수상했습니다.우리는 이제 모든 입자가 그것을 소멸시키는 반입자를 가지고 있다는 것을 압니다. (힘을 전달하는 입자의 경우 반입자 자체입니다.) 또한 반입자로 구성된 전체 반세계 및 반인이 있을 수 있습니다.단, 반대하는 사람을 만나면 악수하지 않도록 주의!그렇지 않으면 둘 다 하나의 거대한 섬광으로 사라질 것입니다.우리 주변에 반입자보다 입자가 더 많은 이유는 무엇입니까?이것은 매우 중요한 질문이며 이 장의 뒷부분에서 이에 대해 다시 설명하겠습니다.
양자 역학에서 물질 입자 사이의 모든 힘 또는 상호 작용은 1 또는 2의 정수인 스핀을 가진 입자에 의해 전달되는 것으로 간주됩니다.전자나 쿼크와 같은 물질 입자는 힘을 지닌 입자를 방출하고, 방출된 입자에 의한 반발에 의해 물질 입자의 속도가 변화한다.힘을 전달하는 입자는 다른 물질 입자와 충돌하여 흡수됩니다.이 충돌은 물질의 두 입자 사이에 힘이 있었던 것처럼 두 번째 입자의 속도를 변경합니다.
힘을 전달하는 입자는 중요한 속성인 파울리 배타 원리를 따르지 않습니다.이것은 교환할 수 있는 수에 제한이 없으며 강력한 힘을 생성할 수 있음을 시사합니다.그러나 힘을 전달하는 입자가 무거우면 먼 거리에서 입자를 생성하고 교환하는 것이 어려워집니다.따라서 그들이 운반하는 힘은 단거리일 수 있습니다.반면에 힘을 전달하는 입자의 질량이 0이면 힘은 장거리입니다.물질의 입자들 사이에서 교환되는 힘을 지닌 입자는 실제 입자와 같이 입자 탐지기로 감지할 수 없기 때문에 가상 입자라고 합니다.그러나 우리는 그것들이 측정 가능한 효과를 가지고 있기 때문에 존재한다는 것을 알고 있습니다. 즉, 물질 입자 사이에 힘을 일으키고 스핀이 0, 1 또는 2인 입자는 직접 감지할 수 있는 경우에 실제 입자로 존재한다는 것입니다.우리에게 그들은 현재 고전 물리학자들이 파동이라고 부르는 광파 및 중력파와 같은 형태를 취하고 있으며, 물질 입자가 힘을 전달하는 가상 입자와 교환하여 상호 작용할 때 때때로 방출될 수 있습니다. (예를 들어, 두 전자 사이의 전기적 반발력은 가상 광자의 교환으로 인해 절대 감지할 수 없지만, 한 전자가 다른 전자를 통과하면 실제 광자가 방출될 수 있으며, 이는 광파의 형태로 이동합니다. 양식은 우리에 의해 감지됩니다.)
힘을 전달하는 입자는 전달하는 힘의 세기와 상호 작용하는 입자에 따라 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.힘을 4개로 나누는 것은 인위적인 것이며 이론의 일부를 구축하기 위한 편의를 위한 것일 뿐 깊은 의미는 없다는 점을 강조해야 합니다.대부분의 물리학자들은 궁극적으로 네 가지 힘을 단일 힘의 다른 측면으로 설명하는 통합 이론을 찾기를 희망합니다.실제로 많은 사람들이 이것을 현대 물리학의 가장 중요한 목표로 생각합니다.보다 최근에는 이 장에서 설명하는 네 가지 세력 중 세 가지를 통합하는 데 성공했습니다.통일의 남은 힘, 즉 중력의 문제는 나중에 논의할 문제로 남겨둡니다.
첫 번째 힘은 보편적인 중력입니다. 즉, 모든 입자는 질량이나 에너지 때문에 중력을 느낍니다.중력은 다른 세 가지 힘보다 훨씬 약합니다.그것은 너무 약해서 두 가지 특이한 속성이 없었다면 우리는 결코 알아채지 못했을 것입니다.즉, 매우 먼 거리에서 작동하며 항상 매력적입니다.이것은 지구와 태양과 같은 두 개의 거대한 물체에서 모든 입자 사이의 매우 약한 중력이 합쳐져 상당한 힘을 생성할 수 있음을 시사합니다.다른 세 가지 힘은 근거리이거나 끌어당기고 밀어내기 때문에 서로를 상쇄하는 경향이 있습니다.중력장을 연구하기 위해 양자 역학을 사용하는 사람은 중력자라고 하는 두 개의 스핀 입자에 의해 전달되는 물질의 두 입자 사이의 중력을 설명합니다.자체 질량이 없으므로 운반하는 힘은 장거리입니다.태양과 지구 사이의 중력은 이 두 물체를 구성하는 입자 사이의 중력 교환으로 귀결됩니다.교환된 입자는 가상이지만 측정 가능한 효과가 있어 지구가 태양 주위를 공전하게 합니다!실제 중력은 고전 물리학자들이 중력파라고 부르는 것을 구성하는데, 이 파동은 너무 약하고 탐지하기가 어려워 지금까지 관찰된 적이 없습니다.
또 다른 힘은 전자기력입니다.그것은 전자와 쿼크와 같은 하전 입자 사이에서 작용하지만 중력자와 같은 하전되지 않은 입자 사이에서는 작용하지 않습니다.그것은 중력보다 훨씬 더 강합니다: 두 전자 사이의 전자기력은 중력보다 약 100억 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만 백만(1 다음에 42개의 0) 배 더 강합니다. .그러나 전하에는 양전하와 음전하의 두 가지 유형이 있습니다.같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어내는 힘이 있고, 다른 종류의 전하끼리는 끌어당기는 힘이 있습니다.지구나 태양과 같은 큰 물체에는 거의 같은 양의 양전하와 음전하가 포함되어 있습니다.개별 입자 사이의 인력과 반발력이 거의 완전히 상쇄되기 때문에 두 물체 사이의 순수한 전자기력은 매우 작습니다.그러나 전자기력은 작은 규모의 원자와 분자에서 중요한 역할을 합니다.음으로 하전된 전자와 양으로 하전된 핵의 양성자 사이의 전자기력은 마치 중력이 지구가 태양 주위를 공전하도록 하는 것처럼 전자가 원자의 핵 주위를 공전하도록 합니다.전자기 인력은 광자라고 하는 질량이 없는 스핀 1 입자의 교환으로 인해 발생하는 것으로 묘사되었습니다.또한 여기서 교환되는 광자는 가상 입자입니다.그러나 전자가 하나의 허용된 궤도에서 핵에 더 가까운 다른 허용된 궤도로 바뀔 때 에너지는 파장이 맞으면 방출되는 실제 광자, 육안으로 관찰할 수 있는 가시광선 또는 사진 플레이트 감지기와 같은 관찰에 사용됩니다.마찬가지로 광자가 원자와 충돌하면 허용된 궤도에서 핵에 더 가까운 전자를 더 멀리 이동할 수 있습니다.이런 식으로 광자의 에너지는 소진, 즉 흡수된다.
세 번째 힘은 약한 핵력이라고 합니다.방사능 현상을 제한하며 스핀 1/2인 물질 입자에만 작용하고 광자, 중력자 등 스핀 1 또는 2인 입자에는 영향을 미치지 않습니다.1967년까지 Imperial College London의 Aberdas.살람과 하버드의 스티븐.약한 상호작용은 Weinberg가 약한 상호작용과 전자기 상호작용에 대한 통합 이론을 제안할 때까지 잘 이해되지 않았습니다.물리학 세계에서 이러한 움직임으로 인한 충격은 100년 전 맥스웰이 전기와 자기를 통합한 것과 비교할 수 있습니다.Weinberg-Salam 이론은 광자 외에 총칭하여 약한 힘을 전달하는 무거운 벡터 보손이라고 하는 세 개의 다른 스핀 1 입자가 있다고 제안합니다.W+(W 양수), W-(W 음수) 및 Z(Z 제로)라고 하며 각각 약 100 GeV(1 GeV는 10억 전자 볼트)의 질량을 가집니다.위의 이론은 자발적인 대칭 깨짐으로 알려진 특성을 나타냅니다.그것은 낮은 에너지에서 완전히 다르게 보이는 일부 입자가 실제로는 동일한 유형의 입자의 다른 상태일 뿐임을 보여줍니다.이러한 모든 입자는 고에너지에서 유사하게 거동합니다.이 효과는 룰렛 휠에서 룰렛 볼의 동작과 유사합니다.높은 에너지에서(바퀴가 빠르게 회전할 때) 공은 기본적으로 한 방향으로만 움직이고 구르지만 바퀴가 느려지면 공은 에너지가 적어 결국 공은 바퀴 속으로 가라앉습니다. - 위의 7개 슬롯.즉, 공은 낮은 에너지에서 37가지 상태로 존재할 수 있습니다.어떤 이유로 낮은 에너지의 공만 관찰할 수 있다면 37가지 유형의 공이 있다고 생각할 것입니다!
Weinberg-Salam 이론에서 세 개의 새로운 입자는 100 GeV를 훨씬 넘는 에너지에서 광자와 유사하게 거동합니다.그러나 대부분의 정상 에너지는 이보다 낮고 입자 간의 대칭성이 깨집니다. W+, W- 및 Z는 큰 질량을 가지므로 그들이 전달하는 힘은 매우 단거리가 됩니다.Salam과 Weinberg가 이 이론을 제안했을 때 이를 믿는 사람은 거의 없었습니다. 입자가 실제 W+, W- 및 Z 입자를 생성하는 데 필요한 100 GeV 에너지를 달성할 만큼 충분히 가속될 수 없었기 때문입니다.그러나 다음 10여 년 동안 낮은 에너지에서의 이론과 실험에 대한 다른 예측은 그들과 Sheldon S.Glashow는 함께 1979년 노벨 물리학상을 수상했습니다.Glashow는 전자기와 약한 작용에 대한 유사한 통합 이론을 제안했습니다.1983년 CERN(유럽 핵 연구 센터)에서 정확하게 예측된 질량 및 기타 특성을 가진 광자의 세 가지 거대한 파트너를 발견한 덕분에 노벨 위원회는 실수를 저지르는 당혹감을 면했습니다.이 발견을 하기 위해 수백 명의 물리학자들을 이끈 칼라.Rubia와 CERN 엔지니어인 Simon S.밴더.Mill은 1984년에 노벨상을 공동 수상했습니다. (당신이 이미 정상에 있지 않는 한, 요즘 실험 물리학에서 표를 찍는 것은 극히 어렵습니다!)
네 번째 힘은 강한 힘입니다.그것은 양성자와 중성자에서 쿼크를 결합하고 원자에서 양성자와 중성자를 결합합니다.글루온이라고 하는 또 다른 스핀 1 입자는 강한 힘을 전달하는 것으로 생각됩니다.그것은 자신과 쿼크와만 상호 작용할 수 있습니다.강한 핵력은 구속(confinement)이라는 이상한 속성을 가지고 있습니다. 그것은 항상 입자를 무색 결합으로 묶습니다.쿼크는 색상(빨간색, 녹색 또는 파란색)을 가지므로 개별 쿼크를 얻을 수 없습니다.반대로, 레드 쿼크는 글루온 사슬(레드 + 그린 + 블루 = 화이트)에 의해 그린 쿼크와 블루 쿼크에 결합되어야 합니다.이러한 삼중항은 양성자 또는 중성자를 구성합니다.다른 가능성은 쿼크와 반쿼크로 구성된 쌍입니다(적색 + 반적색 또는 녹색 + 반녹색 또는 파란색 + 반청색 = 흰색).이러한 조합은 중간자라고 하는 입자를 구성합니다.중간자는 쿼크와 반쿼크가 서로 소멸하여 전자와 다른 입자를 생성하기 때문에 불안정합니다.마찬가지로, 글루온에도 색상이 있기 때문에 색상 제한으로 인해 개별 글루온을 얻을 수 없습니다.반대로 얻을 수 있는 글루온 클러스터의 겹쳐진 색상은 흰색이어야 합니다.이러한 덩어리는 글루볼이라고 하는 불안정한 입자를 형성합니다.
색 제한이 고립된 쿼크나 글루온을 관찰하는 것을 막는다는 사실은 입자로서의 쿼크와 글루온에 대한 전체적인 생각을 다소 형이상학적으로 보이게 합니다.그러나 강한 핵력은 또한 점근적 자유라는 속성을 가지고 있어 쿼크와 글루온을 잘 정의된 개념으로 만듭니다.정상적인 에너지에서 강한 핵력은 정말 강하고 쿼크를 매우 단단하게 묶습니다.그러나 큰 입자 가속기에서의 실험은 높은 에너지에서 강한 힘이 훨씬 약해지고 쿼크와 글루온이 자유 입자처럼 거동한다는 것을 보여줍니다.
그림 5.두 번째는 반양성자와 충돌하는 고에너지 양성자의 사진입니다.충돌은 거의 자유에 가까운 여러 쿼크를 생성했으며 그림에서 볼 수 있는 방출 궤적을 발생시켰습니다.그림 5.2 양성자와 반양성자가 높은 에너지에서 충돌하여 거의 자유로운 쿼크 쌍을 생성합니다.
전자기력과 약력의 통합 성공으로 인해 많은 사람들이 이 두 가지 힘과 강력한 핵력을 결합하여 대통일 이론(GUT)이라고 하는 방식으로 시도했습니다.그것은 다소 과장된 이름이고, 그 결과 나온 이론은 그다지 훌륭하지 않으며, 중력을 포함하지 않기 때문에 모든 힘을 통합하지 않습니다.그들은 이론에서 예측할 수 없지만 실험에 적합하도록 인위적으로 선택해야 하는 많은 매개변수를 포함하고 있기 때문에 완전한 이론도 아닙니다.그러나 그것들은 완전히 통합된 이론을 향한 한 걸음일 수 있습니다. GUT의 기본 개념은 위에서 언급한 바와 같이 강한 핵력은 에너지가 높을수록 약해지는 반면, 점근적으로 자유로운 성질을 가지지 않는 전자기력과 약력은 에너지가 높을수록 강해진다는 것이다.대통합 에너지라고 하는 매우 높은 에너지에서 세 가지 힘은 모두 같은 힘을 가지므로 단일 힘의 다른 측면으로 볼 수 있습니다.이 에너지에서 GUT는 또한 서로 다른 스핀 1/2 물질 입자(예: 쿼크 및 전자)도 본질적으로 동일하게 되어 또 다른 종류의 통합으로 이어질 것이라고 예측했습니다.
대통일에너지의 값은 잘 알려져 있지 않으나 적어도 일천조 전자볼트는 될 것이다.현재 입자 가속기는 약 100GeV의 에너지를 가진 입자만 충돌할 수 있으며, 구축할 계획인 기계의 에너지는 수천 GeV입니다.입자를 거대한 통합 에너지로 가속할 수 있을 만큼 강력한 기계를 만들려면 현대 경제에서는 불가능한 태양계만큼 커야 합니다.따라서 대통일 이론을 연구실에서 직접 확인하는 것은 불가능하다.그러나 약한 전기약 통합 이론에서와 같이 낮은 에너지에서 그 결과를 테스트할 수 있습니다.
가장 흥미로운 예측 중 하나는 일반 물질 질량의 대부분을 구성하는 양성자가 자발적으로 반전자와 같은 더 가벼운 입자로 붕괴할 수 있다는 것입니다.그 이유는 대통합 에너지에서 쿼크와 반전자 사이에 본질적인 차이가 없기 때문입니다.일반적으로 양성자에 있는 3개의 쿼크는 반전자로 변할 만큼 충분한 에너지를 가지고 있지 않습니다. 양성자가 붕괴하도록 변환하십시오.쿼크가 충분한 에너지를 얻을 확률은 너무 낮아서 발생하는 데 적어도 1억 년이 걸릴 것입니다.이것은 빅뱅(약 100억년 뒤에 0이 10개) 이후 우주의 나이보다 훨씬 더 깁니다.따라서 자발적인 양성자 붕괴의 가능성을 실험적으로 감지하는 것은 불가능하다고 생각할 것입니다.그러나 붕괴를 감지할 가능성을 높이기 위해 매우 많은 수의 양성자를 포함하는 엄청난 양의 물질을 관찰할 수 있습니다. (예를 들어, 관찰된 물체가 1개의 양성자와 31개의 양성자를 포함하는 경우 가장 단순한 GUT에서 1년에 1개 이상의 양성자 붕괴를 볼 것으로 예상할 수 있습니다.)
일련의 실험이 수행되었지만 불행하게도 그 중 어느 것도 양성자 또는 중성자 붕괴에 대한 결정적인 증거를 얻지 못했습니다.한 가지 실험은 오하이오의 Moulton Salt Mine에서 8,000톤의 물로 수행되었습니다(양성자 붕괴와 혼동될 수 있는 우주선 유발 사건을 피하기 위해).실험에서 자발적인 양성자 붕괴가 관찰되지 않았기 때문에 가능한 양성자의 수명은 적어도 1000조년(1 다음에 0이 31개)일 것이라고 추정할 수 있습니다.그것은 단순한 통합 이론에 의해 예측된 것보다 더 긴 수명입니다.그러나 더 정교하고 복잡한 GUT 중 일부는 이보다 더 긴 수명을 예측하므로 더 민감한 수단으로 더 많은 양의 물질을 테스트해야 합니다.
양성자의 자발적인 붕괴를 관찰하는 것은 매우 어렵지만 양성자 또는 더 간단하게 쿼크의 생성과 같은 반대 과정이 우리의 존재를 이끌었을 가능성이 있습니다.그들은 상상할 수 있는 가장 자연스러운 방식으로 우주의 시작부터 반쿼크보다 더 많은 쿼크가 없는 상태에서 생겨났습니다.지구상의 물질은 주로 양성자와 중성자, 따라서 쿼크로 구성됩니다.큰 입자 가속기에서 소수의 물리학자들에 의해 생성된 것을 제외하고는 반쿼크로 만들어진 반양성자 및 반중성자는 없습니다.우주선의 증거는 우리 은하의 모든 물질에 대해서도 마찬가지임을 시사합니다. 입자와 반입자 쌍이 높은 에너지에서 충돌할 때 생성되는 몇 개를 제외하고는 반양성자나 반중성자는 발견되지 않았습니다.우리 은하에 반물질의 영역이 넓다면 물질과 반물질의 경계에서 많은 입자와 그 반입자가 충돌해 서로 소멸하면서 고에너지 방사선을 방출하는 다량의 방사선을 관측할 것으로 예상된다.
우리는 다른 은하계의 물질이 양성자, 중성자 또는 반양성자, 반중성자로 구성되어 있는지를 보여주는 직접적인 증거가 없지만 둘은 그 중 하나에 불과합니다.따라서 우리는 모든 은하가 반쿼크가 아니라 쿼크로 이루어져 있다고 믿으며, 일부 은하가 물질이고 다른 은하가 반물질일 가능성도 없어 보입니다.
반쿼크보다 쿼크가 더 많은 이유는 무엇입니까?숫자가 같지 않은 이유는 무엇입니까?숫자가 달랐다면 우리는 운이 좋았을 것입니다. 그렇지 않으면 초기 우주에서 서로를 전멸시키고 물질이 거의 없는 방사선으로 가득 찬 우주만 남겼을 것입니다.결과적으로 인간 생명이 발달할 수 있는 은하, 별, 행성이 없을 것입니다.다행스럽게도 대통일 이론은 우주에 같은 수로 시작했음에도 불구하고 현재 반쿼크보다 더 많은 쿼크가 있는 이유를 설명할 수 있습니다.우리가 본 것처럼 GUT는 쿼크가 높은 에너지에서 반전자가 되도록 합니다.그들은 또한 반쿼크가 전자로 바뀌고 전자와 반전자가 반쿼크와 쿼크로 바뀌는 역 과정을 허용합니다.초기 우주에는 너무 뜨거워서 입자 에너지가 이러한 전이가 일어나기에 충분히 높았던 때가 있었습니다.그러나 쿼크가 반쿼크보다 많은 이유는 무엇입니까?그 이유는 물리학 법칙이 입자와 반입자에 대해 동일하지 않기 때문입니다.
1956년까지 물리 법칙은 각각 C, P, T라는 세 가지 대칭을 따른다고 믿었습니다. C(전하) 대칭은 입자와 반입자에 대한 법칙이 동일함을 의미하고, P(패리티) 대칭은 모든 상황과 그 거울상(오른쪽 스핀을 갖는 입자의 거울 이미지가 왼쪽 스핀 T( 시간) 대칭이란 입자와 반입자의 운동 방향을 반대로 바꾸면 원래의 상태로 돌아가야 한다는 것, 즉 시간의 방향 법칙은 전진과 후진이 같다는 것이다.
1956년에 두 명의 미국 물리학자 Li Zhengdao와 Yang Zhenning은 약한 작용이 실제로 P대칭을 따르지 않는다고 제안했습니다.즉, 약한 힘은 우주의 거울상을 다르게 발전시킵니다.같은 해, 그들의 동료인 Wu Jianxiong은 그들의 예측이 옳았다는 것을 증명했습니다.그녀는 스핀이 정렬되도록 자기장에서 방사성 원소의 핵을 정렬하고 다른 방향보다 한 방향으로 더 많은 전자가 방출된다는 것을 증명했습니다.이듬해 리와 양은 노벨상을 수상했습니다.또한 약한 상호 작용은 C 대칭을 따르지 않는다는 것, 즉 반입자로 구성된 우주가 우리와 다르게 행동하게 한다는 것도 발견되었습니다.그럼에도 불구하고 약력은 CP 관절 대칭을 따르는 것으로 보입니다.즉, 모든 입자가 반입자로 대체되면 우주의 거울상은 원래 우주와 같은 방식으로 발전합니다!그러나 1964년에 두 명의 미국인 J. W．크로닌과 발.Fitz는 카온(kaons)이라는 붕괴에서 CP 대칭성조차 따르지 않는다는 것을 발견했습니다.1980년 크로닌과 피츠는 이 공로로 노벨상을 받았습니다. (우주가 생각만큼 단순하지 않다는 것을 보여주어 많은 상을 받았습니다!)
양자 역학과 상대성이론을 따르는 이론은 CPT 관절 대칭성을 따라야 한다는 수학적 정리가 있습니다.즉, 입자를 반입자로 교체하고 동시에 거울상을 찍고 시간을 되돌리면 우주의 거동은 같아야 한다.크로닌과 피츠는 입자 대신 반입자만 사용하고 거울상을 사용하더라도 시간의 방향이 바뀌지 않는다면 우주의 거동은 그대로일 것임을 보여주었다.따라서 시간 방향이 역전되는 경우에는 T대칭을 따르지 않도록 물리법칙이 바뀌어야 한다.
早期宇宙肯定是不服從Ｔ對稱的：當時間往前走時，宇宙膨脹；如果它往後退，則宇宙收縮。而且，由於存在著不服從Ｔ對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對於將電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然後，當宇宙膨脹並冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由於已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至於我們不能知道在湮滅之後餘下的夸克數目，甚至不知是夸克還是反夸克餘下。（然而，如果是反夸克多餘留下，我們可以簡單地稱反夸克為夸克，夸克為反夸克。）
大統一理論並不包括引力。這關係不大，因為引力是如此之弱，以至於我們處理基本粒子或原子問題時，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的，表明它的所有效應是疊加的。所以，對於足夠大量的物質粒子，引力會比其他所有的力都更重要。這就是為什麼正是引力決定了宇宙的演化的緣故。甚至對於恆星大小的物體，引力的吸引會超過所有其他的力，並使恆星自身坍縮。七十年代我的工作是集中於研究黑洞。黑洞就是由這種恆星的坍縮和圍繞它們的強大的引力場所產生的。正是黑洞研究給出了量子力學和廣義相對論如何相互影響的第一個暗示亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。