高鵬

[摘要]軸子是一種假定的粒子，它是為了說(shuō)明量子色動(dòng)力學(xué)中的強(qiáng)CP問(wèn)題，人們很青睞這種冷暗物質(zhì)粒子。盡管該軸子與物質(zhì)和電磁場(chǎng)有較弱的耦合作用，但他卻是世界上很多高精密實(shí)驗(yàn)的探測(cè)目標(biāo)。如果探測(cè)到軸子，這不但能夠很好地解釋量子色動(dòng)力學(xué)中的強(qiáng)CP問(wèn)題，而且其結(jié)果還能夠解釋量子場(chǎng)論、粒子物理和宇宙學(xué)等..本文以重電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，對(duì)強(qiáng)場(chǎng)激光探測(cè)軸子實(shí)驗(yàn)中的光子靜質(zhì)量效應(yīng)的情況加以探究，并與其他實(shí)驗(yàn)得出的光子靜質(zhì)量限進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示：軸子質(zhì)量限幾乎并未受到光子靜質(zhì)量效應(yīng)的影響，再有，該實(shí)驗(yàn)得出的光子質(zhì)量限精度與我們測(cè)得的光子靜質(zhì)量限精度之間存有較大的差距。

[關(guān)鍵詞]軸子；量子色動(dòng)力學(xué)；光子靜質(zhì)量效應(yīng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]E933.43 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1672-5158（2013）05-0009-01

1軸子、光子相關(guān)理論簡(jiǎn)介

本文首先簡(jiǎn)述了關(guān)于軸子和光子的理論，以方便研究軸子和光子的相關(guān)理論，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

1.1量子場(chǎng)論

量子場(chǎng)論是以量子力學(xué)原理等為基礎(chǔ)，一種解釋了微觀物理學(xué)的理論。量子動(dòng)力學(xué)具有悠久的歷史，也比較成熟。他研究的內(nèi)容主要是電磁場(chǎng)和帶電粒子的相互影響的情況以及這種相互影響的量子性質(zhì)、帶電粒子相關(guān)活動(dòng)等。它還對(duì)相關(guān)高精度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。

我們所生存的世界中存在著許多量子場(chǎng)系統(tǒng)。粒子的生成或消失取決于量子場(chǎng)的情況。所渭真空就是指量子場(chǎng)中的能量處于一種最低狀態(tài)。與其他激發(fā)態(tài)相比較，這種最低態(tài)指的是不存在任何粒子的狀態(tài)，可是，真空中存在著許多量子場(chǎng)，并時(shí)時(shí)刻刻運(yùn)動(dòng)，即物理學(xué)中所謂的真空零點(diǎn)振動(dòng)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量則稱(chēng)為真空零點(diǎn)能。在這種情況下，若能夠使量子場(chǎng)不再擴(kuò)散到更大的空間中去，而它所在的較小的空間的大小出現(xiàn)改變時(shí)，此量子場(chǎng)產(chǎn)生的零點(diǎn)振動(dòng)能也會(huì)出現(xiàn)較小的改變，即得出了著名的卡西米爾效應(yīng)。

1.2對(duì)稱(chēng)性和守恒律

對(duì)稱(chēng)性和守恒律在物理學(xué)中有著非常重要的地位。物質(zhì)的情況及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)在對(duì)稱(chēng)變換時(shí)所展現(xiàn)出的固有性質(zhì)就是對(duì)稱(chēng)n生。如果物體的運(yùn)動(dòng)及其能量最低態(tài)具有對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，則其相應(yīng)的物理量均守恒。物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都滿足守恒定律。

1.3規(guī)范場(chǎng)和規(guī)范玻色子質(zhì)量

規(guī)范場(chǎng)是一類(lèi)物質(zhì)場(chǎng)，它與相關(guān)規(guī)律的固定性聯(lián)系很大，規(guī)范玻色子指的是一種場(chǎng)量子。電磁場(chǎng)也是常見(jiàn)的規(guī)范場(chǎng)。其不變性對(duì)周總耦合形式的形成有很大的影響。規(guī)范場(chǎng)的量子就是規(guī)范玻色子，也使其相互影響。因?yàn)橐?guī)范對(duì)稱(chēng)性的規(guī)定，規(guī)范場(chǎng)的相關(guān)量中沒(méi)有規(guī)范場(chǎng)的質(zhì)量項(xiàng)，它會(huì)影響規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)相應(yīng)的規(guī)范玻色子質(zhì)量為零時(shí)，這說(shuō)明其對(duì)應(yīng)的作用是長(zhǎng)程力。

2強(qiáng)場(chǎng)激光偏振法探測(cè)軸子實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述

二十世紀(jì)末，世界著名大學(xué)羅切斯特大學(xué)的一位博士和一些學(xué)術(shù)專(zhuān)家在美國(guó)國(guó)立實(shí)驗(yàn)室做了該實(shí)驗(yàn)。他們通過(guò)變更激光射向強(qiáng)磁場(chǎng)偏振方向的方式，來(lái)探測(cè)軸子。下面著重研究光子非靜止質(zhì)量的相關(guān)情況。

強(qiáng)場(chǎng)激光偏振法探測(cè)軸子實(shí)驗(yàn)，指的是研究軸子與光子的電磁耦合作用。有相關(guān)效應(yīng)可知，當(dāng)一束線偏振光出現(xiàn)于強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，而與磁場(chǎng)正交的分量則與磁場(chǎng)相互作用生成新的軸子，所以，此分量的幅值就會(huì)降低，進(jìn)而造成其偏振方向會(huì)與原偏振方向有一定的角度。二十世紀(jì)末，有一些博士和專(zhuān)家就在這一理論的基礎(chǔ)上來(lái)探測(cè)肘子。

該實(shí)驗(yàn)體系由三部分組成，一是強(qiáng)磁場(chǎng)；二是光學(xué)系統(tǒng)；三是橢圓偏振檢測(cè)系統(tǒng)。強(qiáng)磁場(chǎng)主要是生成新的軸子，磁場(chǎng)是通過(guò)超導(dǎo)偶極磁體形成的。還有其他物體如起偏器等，其光軸方向與磁場(chǎng)方向須有一定的夾角，如此方能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先在某一橫向磁場(chǎng)中引入一束線偏振光，激光先經(jīng)過(guò)隔離器到達(dá)起偏器，其光軸方向與磁場(chǎng)方向會(huì)有一定的夾角，而后會(huì)產(chǎn)生一定角度的線偏振光，接著射進(jìn)光學(xué)反射腔，最后又到達(dá)檢測(cè)區(qū)，反射腔位于磁場(chǎng)區(qū)中，一旦磁場(chǎng)中形成新的軸子，則反射腔發(fā)出光線，其偏振狀態(tài)會(huì)有一定的改變。實(shí)驗(yàn)對(duì)變化的激光偏振方向夾角進(jìn)行分析，以達(dá)到探測(cè)軸子的目的。

光首先進(jìn)入反射腔，射出后又進(jìn)入法拉第盒，并得到其一定的調(diào)制，如此有利于避免不必要的非線性項(xiàng)，隨后射到檢偏器上，需要說(shuō)明的是，它和起偏器一樣也是偏振晶體，二者的光軸方向是正交的，結(jié)果發(fā)出的光電信號(hào)傳到光電二極管，并在此處被檢測(cè)出。我們要想了解該偏振光的橢圓率，可以把一定規(guī)格的波片放在法拉第盒的前邊，這樣就可以通過(guò)測(cè)量偏振方向的變化來(lái)得出該橢圓率。

3光子靜止質(zhì)量為零時(shí)的實(shí)驗(yàn)分析

由相關(guān)效應(yīng)知，當(dāng)線偏振光經(jīng)過(guò)較強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，與磁場(chǎng)正交的分量在與磁場(chǎng)相互作用的過(guò)程中形成軸子。有量子動(dòng)力學(xué)理論可知，光子主要來(lái)源于激光束，并在強(qiáng)磁場(chǎng)的影響下，形成了軸子。磁場(chǎng)中的場(chǎng)強(qiáng)張量存在于一定區(qū)域的總電磁場(chǎng)中，它包括兩部分，一是外部產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)；二是由激光束產(chǎn)生的電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。

因?yàn)镻rimakoff效應(yīng)中的光為外磁場(chǎng)平行的部分時(shí)才能形成軸子，但和外磁場(chǎng)正交的部分卻未出現(xiàn)任何改變。二十世紀(jì)末期，有一些專(zhuān)家教授根據(jù)相關(guān)理論和原理，并采用相應(yīng)的方法來(lái)探測(cè)軸子。當(dāng)激光經(jīng)過(guò)一個(gè)非縱向的磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，其偏振方向則會(huì)與磁場(chǎng)形成一定的角度，約為45度。發(fā)出的激光的偏振方向與原方向也會(huì)形成相應(yīng)的角度。

4光子靜止質(zhì)量不為零時(shí)的實(shí)驗(yàn)分析

從一些圖書(shū)資料中可以查知，愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中提出了兩個(gè)基本假設(shè)，即所謂的光速不變和相對(duì)性原理，它對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。光子靜止質(zhì)量上述假設(shè)中的觀點(diǎn)。物理學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，因此，只有進(jìn)行科學(xué)的實(shí)驗(yàn)才能得出正確的理論。我們可以從電動(dòng)力學(xué)中得出光子靜止質(zhì)量為零時(shí)的電磁場(chǎng)的密度等參數(shù)。由此密度推導(dǎo)出電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方程。當(dāng)光子靜止質(zhì)量為非零時(shí)，瑪克斯韋爾電磁場(chǎng)必須把其靜止質(zhì)量項(xiàng)考慮在內(nèi)。然后才能對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立地光子靜止質(zhì)量研究。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的角度與磁場(chǎng)區(qū)域長(zhǎng)度呈線h生關(guān)系，為方便探測(cè)，在實(shí)驗(yàn)中安裝了反射鏡，使激光循環(huán)反射，從而增強(qiáng)了相應(yīng)的測(cè)量效應(yīng)。

結(jié)束語(yǔ)

軸子是一種假定的粒子，它是為了說(shuō)明量子色動(dòng)力學(xué)中的強(qiáng)CP問(wèn)題，人們很青睞這種冷暗物質(zhì)粒子。軸子一旦被發(fā)現(xiàn)，其意義非凡，否則，就不可能存在軸子模型，我們也就找不到解決強(qiáng)CP問(wèn)題的具體方法，這要求我們另尋其他方式方法。本篇論文簡(jiǎn)要介紹了其相關(guān)理論和一些模型，還有現(xiàn)在探測(cè)軸子的一系列實(shí)驗(yàn)。此外，我們經(jīng)過(guò)一番理論分析后，得出了軸子和光子的相關(guān)參數(shù)及關(guān)系式，從而推導(dǎo)出并得出軸子質(zhì)量限。

光子靜止質(zhì)量不能隨便認(rèn)為是零，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。本篇論文以有質(zhì)量電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)理論，在做強(qiáng)場(chǎng)激光偏振法測(cè)軸子實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)其光子靜質(zhì)量效應(yīng)的相關(guān)情況進(jìn)行了研究，然后，再與其他實(shí)驗(yàn)中的光子靜質(zhì)量限對(duì)照一下。最后，我們得出如下結(jié)論：光子靜質(zhì)量效應(yīng)幾乎不對(duì)軸子質(zhì)量限產(chǎn)生任何作用；由實(shí)驗(yàn)得出的光子質(zhì)量限精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)扭秤測(cè)得的精度。

量子電動(dòng)力學(xué)能夠解釋電磁相互作用的全部過(guò)程。在該原理有這樣的解釋?zhuān)Ｗ拥碾姾稍叫?，其產(chǎn)生的真空極化效應(yīng)也就極其弱小。無(wú)論如何，這一效應(yīng)還是引發(fā)了其他能夠觀測(cè)的效應(yīng)，這一系列精度較高的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，同其他相關(guān)理論得出的數(shù)據(jù)幾乎相同。