電弱統一理論也稱為GSW理論,和弱電統一理論是不同的叫法,該理論建立在GSW數學模型上,通過對四種規范場和粒子的描述,統一了電磁相互作用(以下簡稱電磁力)和弱相互作用(以下簡稱弱核力)。
GSW理論的核心方程(簡稱GSW方程)如下:
GSW方程完全式
等號左邊的L表示GSW模型中的拉格朗日量,以下簡稱為拉氏量;公式第一行紅色部分,L_g 表示粒子的規范場拉氏量;第二行綠色部分,L_f 表示粒子的費米子場量;第三、四行藍色部分,L_h 表示粒子的希格斯場量,又細分為Lh-1、Lh-2、Lh-3三部分。
公式是張量形式,比較復雜,我們分為幾部分講解。
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1- GSW方程的規范場作用量L_g
GSW方程中的L_g方程
關于L_g方程的基礎知識,請閱讀本人的文章《用數學的方法來理解麥克斯韋方程組》和《張量數學是如何描述愛因斯坦場方程和楊—米爾斯方程的》,這里只簡要描述一下。
1-1.前面一項B_uvB^uv表示的是電磁場,以協變和逆變張量并乘的形式表示其場強,其實就是將微積分形式的麥克斯韋方程組,以張量形式表示,對其中的協變張量B_uv有:
電磁場B_uv展開式
因為u、v=1,2,3,4,其中1,2,3分別表示X/Y/Z坐標,4表示時間,則?_u和?_v表示對時空求偏導;B_u和B_v表示電磁場強度在u、v兩個方向的分量。
同樣,逆變張量B^uv也能用上述方程展開。B_uv與B^uv并乘,就表示了電磁場強度。
1-2.L_g方程后面的F_uv和F^uv,仍是協變張量和逆變張量并乘的形式,表示了弱核力的場強。其中F_uv^a為:
弱核力場強F_u展開式
?_u和?_v意義同上;混合張量A_u^a、A_v^a表示粒子在規范場四維時空的矢勢;張量A_u^b、A_v^c表示李群結構中的矢勢;張量f_bc^a是李代數結構常數,f_bc^a取決于基底τ_a的選擇,其中a=1,2,3對應弱核力的W+/W-/Z玻色子場;g為弱核力SU(2)規范群的耦合常數。
1-3.還是寫出規范場作用量L_g公式:
GSW方程中的L_g方程
電磁場B_uvB^uv代表的U(1)群,和弱核力場F_uvF^uv代表的SU(2)群,都是符合楊-米爾斯規范場的數學形式。
楊-米爾斯方程
L_g公式的物理意義為規范場的拉氏量,是以光子為媒介子的電磁場量,和以W+/W-/Z玻色子為媒介子的弱核力場的場量之和;簡單地說就是規范場的拉氏量,等于電磁力作用量與弱核力作用量之和,其本質意義是U(1)群和SU(2)群的玻色子相互耦合的場量。
2-GSW方程的弱核力場費米子作用量L_f
與L_g方程中描述U(1)群和SU(2)群的玻色子場量不同,L_f方程描述的是弱核力SU(2)群的費米子場量。
GSW方程中的L_f方程
2-1.其中符號n=e,μ,τ,就是指弱核力中的費米子,先說明一下L_f方程中費米子的概念。
綠色標志的六種費米子
這里所說的費米子,就是上圖中綠色標志的六種輕子,即:電子e、μ子(謬子)、τ子(陶子)、電中微子Ve、μ中微子Vμ、τ中微子Vτ。其中電子、μ子、τ子是帶單位負電荷的基本粒子,既有左旋也有右旋粒子;電中微子、μ中微子、τ中微子都是弱作用生成的基本粒子,只有左旋沒有右旋。
2-2.而L_n、 R_n是指同位旋二重態(L為左旋態,R為右旋態),同位旋二重態可以近似的理解為,同類別粒子間的不同運動狀態量。
因為中微子沒有右旋,右旋矢量R_n只能為單態;左旋矢量只存在L_n二重態矢量:
同位旋二重態矢量
L_n、 R_n上面帶橫線的矢量,為其本征矢量的共軛量。
2-3.L_g方程中的D_u為協變導數,作用是在L_n、 R_n與其共軛矢量并乘中轉換基矢,展開式如下:
協變導數D_u展開式
其中?_u和a的意義同上;B_u為電磁場強度張量,g1為耦合常數;W_u^a為弱核力場張量,g2為耦合常數;δ_a和λ^a為基矢量。
通過定義D_u,即可將費米子場量,與玻色子形成的規范場量,聯系在一起進行運算。
2-4.L_g方程中的γ_u即泡利矩陣,用于坐標轉換,其中u=1,2,3,對應的是弱核力中的W+/W-/Z玻色子形成的三個規范場:
γ矩陣的三種形式,實際上就是泡利矩陣的形式
2-5.還是寫出弱核力場費米子作用量L_f公式:
GSW方程中的L_f方程
L_f公式是遵守宇稱不守恒的,體現在中微子同位旋的態矢量只有左旋量。而符號∑是指對電子、μ子、τ子、電中微子、μ中微子、τ中微子等6種費米子的求和。L_f公式的物理意義為上述6種費米子,在電磁場U(1)群和弱力場SU(2)群的拉氏量,其中電磁場和弱力場是通過協變導數D_u來定義的。
3-GSW方程的希格斯場作用量L_h
GSW方程中的L_h方程
L_h公式比較復雜,希格斯場的基礎知識參見我之前的文章《希格斯場的通俗解釋》,我們將分項講解。
3-1. D_uΨ與共軛量(D_Uψ)^?并乘的展開式(即Lh-1分項)及說明如下:
希格斯場中玻色子質量項
ψ為希格斯場函數,H為希格斯場強;符號?表示張量的共軛量;W_u^+、 W_u^-和Z_u為W+/W-/Z玻色子場強;g1和g2為W和Z希格斯玻色子在希格斯場的耦合常數;v表示矢勢;偏導算符?_u意義同上。
可以看到,該項是三種能量構成:
★希格斯場自身的強度,表示希格斯場自耦合作用。
★帶電荷的W+/W-希格斯玻色子,在希格斯場中獲得質量,按照相對論原理質量即能量。
★不帶電荷的Z0希格斯玻色子,在希格斯場中獲得質量的過程。
3-2. m2ψ^?ψ-k(ψ^?ψ)2 展開式(即Lh-2分項)及說明如下:
希格斯場中玻色子勢能項
此項即按照微擾法計算W+/W-/Z希格斯玻色子在希格斯場中的場勢能V_h,因為這三種玻色子質量、動量不同,在希格斯場中的勢能須按照泰勒公式展開。k1/k2/k3為歸一法的系數,其余符號意義同上。
3-3. L_h公式最后一項帶求和符號∑的分項公式(即Lh-3分項)說明:
希格斯場中費米子質量項
這是希格斯場中費米子質量項,符號意義與前面第二章L_f類似,不同的這里描述的是電子、μ子、τ子等費米子在希格斯場中獲得質量,但是不含中微子,因為中微子質量目前還是來歷不明。
3-4.還是寫出希格斯場作用量L_h公式:
GSW方程中的L_h方程
按照量子電動力學QED理論,光子為電磁力的傳播子,光子并不與希格斯場耦合而獲得靜止質量,因此L_h公式不含光子的質量。
簡要的用希格斯理論來解釋其物理意義,L_f公式表示了希格斯場的場強、希格斯場賦予W+/W-/Z希格斯玻色子以質量、電子/μ子/τ子等費米子與希格斯場耦合獲得質量,這三項共同構成了希格斯場中粒子的拉氏量。
4- GSW方程的意義
GSW方程完全式
GSW方程以張量數學和李群代數為藍本、運用規范場為數學模型,極其完美的統一了電磁力U(1)和弱核力SU(2)。GSW方程包含了麥克斯韋方程組、量子電動力學QED、宇稱不守恒定律、弱相互作用V-A理論、量子規范場論、希格斯場論等多個量子力理論。
GSW方程表明了理想場或自由場是不存在的,原子核內的粒子(包括玻色子和費米子),同時處于電磁場、弱核力場、希格斯場的作用,不僅幾種物理場之間存在相互耦合,而且粒子在不同場之間也存在不同的動能,不同粒子之間的勢能也存在差異。
物理場既是一個虛擬的概念,也是實際存在的數學原理
GSW模型公式體現了量子力學的基本觀念——物理場的概念是:充斥著各種量子的、符合不同數學函數的、滿足各自物理作用原理的、能量傳遞和交換的時空。
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參考資料:
(1)《用數學的方法來理解麥克斯韋方程組》,作者:拿著手機去旅游;
(2)《量子力學中虛數的數學形式和物理意義》,作者:拿著手機去旅游;
(3)《張量數學是如何描述愛因斯坦場方程和楊—米爾斯方程的》,作者:拿著手機去旅游;
(4)《希格斯場的通俗解釋》,作者:拿著手機去旅游;
(5)《淺說中微子》,作者:拿著手機去旅游;
(6)《從微觀到宏觀,能量的各種具體表述方式和物理意義》,作者:拿著手機去旅游。
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