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第11章 基本粒子和自然的力1（第3页）

自旋为2的粒子像个双头的箭头：只要把它转过半圈，它看起来便一样。

类似地，把更高自旋的粒子转了整圈的更小的部分后，它看起来便一样。

所有这一切都是这样的直截了当，但惊人的事实是，把有些粒子转过一圈后，它仍然显得不同：你必须使其转两整圈！

这样的粒子就说具有12的自旋。

宇宙间所有已知的粒子可以分成两组：自旋为12的粒子，它们组成宇宙中的物质；自旋为0、1和2的粒子，正如我们将要看到的，它们在物质粒子之间产生力。

物质粒子服从所谓的泡利不相容原理。

这是奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1925年发现的，他因此而获得1945年的诺贝尔奖。

他是个原型的理论物理学家，有人这样说，他的存在甚至会使同一城市里的实验出毛病！

泡利不相容原理是说，两个类似的粒子不能存在于相同的态中，也就是说，在不确定性原理给出的限制下，它们不能同时具有相同的位置和速度。

不相容原理是非常关键的，因为它解释了为何物质粒子，在自旋为O、1和2的粒子产生的力的影响下，不会坍缩成密度非常高的状态的原因：如果物质粒子几乎处在相同的位置，则它们必须有不同的速度，这意味着它们不会长时间存在于相同的位置。

如果世界在没有不相容原理的情形下创生，夸克将不会形成分离的轮廓分明的质子和中子，进而这些也不可能和电子形成分离的轮廓分明的原子。

它们全部都会坍缩形成大致均匀的稠密的“汤”

。

直到保罗·狄拉克在1928年提出一个理论，人们才对电子和其他自旋12的粒子有了正确的理解。

狄拉克后来被选为剑桥的卢卡斯数学教授（牛顿曾经担任这一教席，目前我担任这一职务）。

狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理论。

它在数学上解释了为何电子具有12的自旋，也即为什么将其转一整圈不能、而转两整圈才能使它显得一样。

它还预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电子。

1932年正电子的发现证实了狄拉克的理论，他因此获得了1933年的诺贝尔奖。

现在我们知道，任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。

（对于携带力的粒子，反粒子即为其自身）。

也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。

然而，如果你遇到了反自身，注意不要握手！

否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。

为何我们周围的粒子比反粒子多得多是一个极端重要的问题，我将会在本章的后部分回到这问题上来。

在量子力学中，所有物质粒子之间的力或相互作用都认为是由自旋为整数0、1或2的粒子携带。

所发生的是，物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子。

这个发射引起的反弹，改变了物质粒子的速度。

携带力的粒子然后和另一个物质粒子碰撞并且被吸收。

这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同这两个物质粒子之间存在过一个力。

携带力的粒子不服从泡利不相容原理，这是它们的一个重要的性质。

这表明它们能被交换的数目不受限制，这样它们就可以引起很强的力。

然而，如果携带力的粒子具有很大的质量，则在大距离上产生和交换它们就会很困难。

这样，它们所携带的力只能是短程的。