弱相互作用传递者:场粒子|物理诺奖37
对导致发现弱相互作用传递者，场粒子W和Z的大型项目的决定性贡献
卡罗·鲁比亚（Carlo Rubbia），男，1934年出生于意大利戈里齐亚。世界著名的粒子物理学家和发明家，意大利帕维亚大学教授，科学家。1984年与范德梅尔共同获得诺贝尔物理学奖。2016年1月获2015年度中国国际科学技术合作奖。2019年10月30日在中国驻意大利大使馆获得大使李军华颁发的“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章 。
卡洛·鲁比亚长期就职于欧洲核子研究中心（CERN），现兼任欧盟气候变化高级顾问团成员、联合国拉丁美洲和加勒比地区经济委员会能源问题特别顾问、中国矿业大学可持续能源研究院院长。
人物履历
1984年与范德梅尔（Simon Van Der Meer）因在发现弱相互作用传播子 W±和Z0所起的决定性作用，共同获得诺贝尔物理学奖。
1934年，生于意大利的戈里齐亚（Gorizia），本科就读于比萨高等师范学院。
1957年，获得比萨大学博士学位。
1989年至1993年，欧洲核子研究中心(CERN)总干事。
2011年，中国矿业大学授予卡罗·鲁比亚教授名誉博士学位。
2013年，意大利总统乔治·纳波利塔诺任命他为终身参议员。
2015年9月28日，卡罗·鲁比亚受聘担任中国矿业大学可持续能源研究院院长。
2016年1月8日，卡洛·鲁比亚获2015年度中国国际科学技术合作奖。
科学研究
卡洛·鲁比亚（Carlo Rubbia）教授所从事的基础性研究，为新能源的开发方面提供了新的理论空间。卡洛·鲁比亚提出了能量放大器的概念，一种应用现有加速器技术产生核能的新颖并且安全的方法。世界各国均积极对此概念进行研究，以将其应用于加速器高放射性废料的焚化以及利用天然钍生产能源。此类燃料可能产生的能源事实上是无穷无尽的，可以与核聚变媲美。Carlo Rubbia教授是加速器驱动的次临界系统洁净核能源的主要倡导者之一，主要致力于研究未来能源供应问题和可再生新能源技术。
西蒙·范德梅尔（荷兰语：Simon van der Meer，1925年11月24日——2011年3月4日），出生于荷兰海牙，荷兰物理学家，1984年获诺贝尔物理学奖。
范德梅尔曾在荷兰代夫特工业大学（University of Technology in Delft）获得工程师学位。1956年，他加入欧洲粒子物理研究所（CERN），负责开发粒子捕捉和操纵的相关方法。1984年，他和粒子物理学家卡罗·鲁比亚（Carlo Rubbia）因“在弱相互作用传播体——场粒子W和Z的发现工作中所起的决定性贡献”而一同分享了诺贝尔物理学奖。
在谈到范德梅尔的工作时，美国费米国家实验室（Fermilab）的高级科学家John Marriner表示范德梅尔开发的技术是“关键的”、“革命性的”，“我们一直遵循着他的想法”。
弱相互作用力
弱相互作用力，简称弱力，四种基本力中第二弱的、作用距离第一短的一种力。它只作用于电子、夸克、中微子（微中子）等费米子，并制约着放射性现象。而对诸如光子、引力子（重力子）等玻色子不起作用。
宇宙中已知的四种基本力包括：引力，电磁力，强相互作用力（强力），弱相互作用力（弱力）。四种基本力参数以一种微妙的平衡构成了如今已知的宇宙环境，这些参数甚至可以精确到小数点后无数位，其中任何一项参数的改变都会令整个宇宙发生彻底的变化，其中一项力的改变可以令宇宙崩溃也不是不可能的。当然这四种基本力的微妙平衡是巧合还是必然还不是现阶段的技术水平所能获知的。
产生
在基本粒子之间还存在另一种短程相互作用力——强力，弱力的作用距离比强力更短，作用力的强度也比强力小得多，但在放射现象中起重要作用，β衰变中放出电子和中微子，电子和中微子之间只有弱力作用。弱力也存在其它基本粒子之间。
神秘的射线
1895年，德国的一位物理学家威廉·康拉德·伦琴发现置于真空放电管附近的密封底片，虽然没有暴露在光线下，但却变成了灰色。伦琴断定，放电管内一定存在着能穿透底片的“光线”。他抓住这一现象追踪下去，并将涂有铂氰酸钾磷光质的屏幕，置于放光管附近，屏幕闪闪发光。他又将金属厚片置于放电管和磷光屏中间，屏幕后便出现了金属的阴影。倘使再换上轻质的薄铅片或木片，屏幕几乎看不到这种阴影。当用这种射线来观察人体时，更为神奇的现象发生了：人体在屏幕后除剩下骷髅般的骨骼外，其它的一切都不见了！
无独有偶，继神秘的X射线发现之后，1896年，法国的亨利·贝克勒尔，想起了有一种天然铀盐矿石，经太阳曝晒之后，在暗室中观察，矿石会发出一种浅绿色的荧光。他为了考察新发现的X射线，将一块天然铀盐矿石放在一张用黑纸包起来的照相底片上，打算放在太阳下曝晒，看底片是否也会像X射线那样感光。十分不巧，天气阴雨，贝克勒尔只得把底片连同矿石一起锁在不见光的抽屉里，并无意地在底片上放了一把钥匙，许多天过去了，贝克勒尔灵机一动，不妨把这张底片也冲出来看看。又一桩神奇的现象出现了：底片早已感光了，还呈现出一把钥匙的清晰阴影。进一步考察表明，这种射线是一种新的、穿透力也很强的射线。
1900年，居里夫妇开始有系统地从元素、化合物、天然矿物中寻找这种效应。他们从沥青铀矿和其它几种含铀矿物中，发现了比钠盐更为活跃的元素。居里夫人和贝蒙特合作，从沥青铀矿中制取了放射性元素镭。另几位学者还发现了钋和锕。
射线三种不同成分
这一连串的新奇发现，引起了科学家们的震惊和注意。原来，原子量很大的元素，几乎都具有放射性。经过一段研究之后，人们才弄清了放射出来的射线具有三种不同的成分：一种叫α射线，这是由两个质子和两个中子组成的、质量为氢原子质量四倍的带正电荷粒子流，经过质量和电荷测定，确定α粒子就是氦的原子核，具有强电离作用，在电场中偏向负极；一种是β射线，也就是贝克勒尔发现的射线，它其实就是一种高速运动的电子流0/-1e，贯穿能力很强，电离作用弱，在电场中偏向正极；还有一种射线叫γ射线，这是一种比X射线穿透力还要强得多的射线，它是一种不带电的高能电磁波，波长很短（0.001-0.0001nm），穿透力强，射程远，一次可照射很多材料，而且剂量比较均匀，危险性大，必须屏蔽（几厘米的铅板或几米厚的混凝土墙），在电场中不偏向。
物理学家们开始把注意力集中到原子核内部。那些来自原子核深处的神秘射线显示出：物理学中尚有一块未被开恳的“处女地”。到底是什么力量把α、β、γ射线中的粒子从原子核内部抛出来的呢？直到20世纪30年代，人们对原子核内部有了一个初步了解之后，才发现了支配微观世界规律的，又有一种新的自然力。
费米的弱力理论
从上世纪末开始，人们的视野穿透到了另一个天地——微观世界。人们弄清了原子是由很小的原子核和绕核旋转的电子所组成。随后，人们又弄清了原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。还搞清了它们之间的一些变化关系：中子发射一个电子就变成质子；质子又可发射一个正电子变成中子。表面看来，人们已弄清了一些新奇的、微观粒子的“换身术”。
中子→质子+电子
质子→中子+正电子
天然的β衰变，正是原子核内的中子放出电子，衰变成一个质子的现象。当人们想进一步弄清β衰变时，物理学竟在微观领域遇上了一场生死存亡的挑战。按照物理学中最重要的能量守恒定律，β衰变过程中，原子核内部中子衰变成质子而失去的能量，应该等于它所放出的电子带走的能量。然而，实验结果表明，电子所带走的能量，总比原子核应该放出的能量少得多。直接观测的β衰变过程表明，电子具有从零到某一上限的不同动能。这说明原子核所失去的能量并不恒等，有多有少。物理学家们为此提出了种种假设，但都无法解释这桩怪事。
正在这个紧要关头，在玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所里，有位大胆的青年物理学家泡利，于1933年提出了一个崭新的理论：在微观世界，确实存在着一个“窃能贼”，把原子核内释放的一部分能量偷走了。泡利假设：它可能不带电，质量也非常小，同周围的相互作用力很弱，所以就不知不觉地从测量仪器下溜走了。
恩里科·费米紧紧抓住泡利关于“中微子”的假设，继续向纵深思索：如果中微子真的存在，那么，在原子核里出现的β放射性行为，就可以解释为这样一个道理：原子核中的中子在衰变成质子的过程中，不仅是放出一个电子，同时还放出一个中微子。这就是说，前面所讲的那种“换身术”不对，正确的方法应是：
中子→质子+电子+中微子
究竟是一种什么力促使这种变化呢？仔细分析，电磁力不可能产生这个过程，因为电磁力的传递者是光子，而在这种衰变中没有光子参加。费米作了一个大胆的尝试，他假定：从质子到中子的衰变过程，是由于自然界中某种新的力引起的。经过一番琢磨，费米得出了几个新颖奇特的结论：
1.这个力要比电磁力弱10的11次方倍，但比万有引力要强得多；
2.这个力只能发生在四个自旋为二分之一的基本粒子之间；
3.这个力的作用力程非常短，几乎为零，即参与相互作用的粒子彼此一离开，力就迅速地消失了。
弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和俘获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。
人们认为自然界果真是存在着一种新的自然力——弱力。费米也因创立了弱力理论而闻名天下，他的理论得到了举世公认。
奇异的K介子
继1956年发现中微子之后，1957年人们又弄清了弱力还有一个奇怪的脾气。事情发生在一种叫K介子的基本粒子身上。1949年，科学家第一次在宇宙射线的照片中，看到一种奇异的粒子，四年之后，用强大的加速器又人为地获得了这种粒子，后来把它命名为K介子。K介子有四种，其中两种分别带正、负电荷，记作K ±，另外两种不带电荷，记作K°、K 。所以称K -24介子为奇异粒子，其原意是，这类粒子产生的时间非常短，约只有10-24秒；但平均寿命则一般在10-10秒以上，相对来讲又很长。
宇称不守恒定律
说起K介子之奇异，还有它另一段很不平凡的经历。1955年前后，围绕着奇异的K介子，物理学上发生了一桩大疑案，当时物理学家发现有两种K介子：一种衰变成两个π介子；一种衰变成三个π介子。为了区别它们，便将前者命名为θ介子，后者命名为τ介子。θ和τ介子除了衰变的差别之外，其它性质几乎一模一样。假如认为θ介子和τ介子是同一种粒子，只不过具有两种衰变方式，那么，就要动摇现代微观物理学中一条神圣的基本定律——宇称守恒定律。
宇称守恒定律是关于微观粒子体系的运动或变化的、具有左右对称性的定律。微观粒子体系在发生某种变化过程时，如核反应、基本粒子的产生和衰变等，其变化前的总宇称（其值为+1或-1）必须等于变化后的总宇称。其物理意义是：粒子体系和它的“镜像粒子”体系都遵从同样的运动变化规律。这条定律后来被李政道和杨振宁所打破，证实基本粒子的弱相互作用中，宇称并不守恒。
中间玻色子理论
在已经发现的自然力中，弱力是最独特的一种，费米理论在解释弱作用过程中，尽管得到成功；但他提出：弱力只发生在基本粒子直接接触的一霎那间。很多物理学家不喜欢弱力的这种脾气，他们总是致力于追求大自然的和谐统一。
用例
50年代末，李政道、费曼和盖尔曼等人，提出了一种新的理论——荷电中间玻色子理论。这种理论的建立，在相当大的程度上是基于电磁理论的启发。从中间玻色子理论来看，弱力和电磁力之间，只要把“电荷”换成“弱荷”，把“电流”换成“弱流”，把传递电磁力的“光子”换成传弱递力的“中间玻色子”，就立即可以得到有关弱力理论的新概念。弱力被描写成交换一种叫中间荷电玻色（这种中间荷电玻色子记作W±粒子）的过程，根据测不准关系，作用力的力程与交换的粒子的质量成反比。（测不准关系即一个微观粒子和某些成对的物理不可能同时具有确定的数值，其中一个量愈确定，则另一个量的不确定程度就愈大。）电磁力和引力的作用力程为无限大，被交换的光子和猜想的引力子的质量为零。而弱力的作用力程如此之短（小于10-15厘米），那么，被交换的W±粒子的质量必然很大。理论计算出这种粒子的质量，约为质子质量的75倍，为几十亿电子伏。
正因为中间玻色子太重，现在的高能加速器很难把它产生出来，弱力的中间玻色理论，和费米理论一样，也可以用来解释基本粒子中的弱过程，并且很难区分哪一种理论更好些。
新的观点
研究指出电荷群的稳定过程中存在对称性自发破缺。只有从其它途径获得与异号电荷吸引力等量且相反的力才能使电荷群稳定。电荷群外电场的变化可能改变电荷群的稳定性。未把微观物质看作电荷群时提出的强相互作用力和弱相互作用力是电荷群内部的力在两种不同情况下的表现。其中弱相互作用力是电荷群内部演变产生的电磁作用力。
这里所说的电荷群定义是：电量绝对值相等且数量相等的异号点电荷混合，正电荷与负电荷不重合。这些点电荷在空间中聚集形成的群体被称为电荷群。
详细的论述出现在下面参考资料包含的文献中。
传播弱力的传播子
粒子的自旋是粒子固有的角动量，是其内禀的属性，每种粒子都有其固定的大小不会改变。在数值上，粒子的自旋角动量S=[s(s+1)]^(1/2)h'（其中s是自旋量子数，电子质子中子的s=1/2，光子的s=1，介子的s=0；h'=h/(2π)≈1.05*10^-34(J.s)，h是普朗克常数）。s是整数还是半整数对粒子的统计性影响很大，著名的泡利不相容原理本质上就是s为半整数的粒子遵循费米-狄拉克统计。
自旋为1，就是象光子那样指其自旋量子数s=1，相应的其实际角动量S=√2 h'。自旋可以粗略地理解为自己旋转，但严格来说这是不对的，因为微观粒子是被认为是点粒子的，一个点怎么旋转？注意，这里说的粒子都是指基本粒子——没有内部结构的点粒子。像原子、分子这样的复合粒子还是一个模糊的形状的。
传播弱力的传播子有W+、W-、Z这三种矢量玻色子。所谓矢量就是指其自旋为1，跟光子一样；所谓玻色子也是指其自旋是整数。
粒子自旋通常都会使它带有磁矩，这样它就像一块小磁铁，在有梯度的磁场中它就会受力偏转（打到接收屏上后一般都明显地分为上下两条曲线，不是连续的一片）。这应该属于间接测自旋吧。自旋不仅在大小上是固定不变的，它在空间的任意方向上的投影的大小也只能取两个固定的数值——±sh'。这两点都与宏观物体的旋转大不相同，后者的角动量不论是总的大小还是它在某方向上投影的大小都是连续可变的，而粒子则是固定的或量子化的。由于粒子没有“形状”和“大小”，其“自转线速度”和“自转角速度”都是没有意义的。
粒子的自旋是除了它的三维外部空间的自由度以外的内部空间的第四个自由度，这个自由度上只有±sh'这两个分立的取值。不像空间坐标那样可以连续取值。最初是实验逼得人们认识到这一点的，后来狄拉克构建了著名的狄拉克方程，这是一个关于自由带电粒子的满足狭义相对论要求——在洛仑兹变换下不变的波动方程，它自动给出了电子的自旋及其分量的分立取值。
量子力学给出的诸多结论连同量子力学本身都是匪夷所思的。玻尔曾说：“如果谁没被量子力学搞得头晕，那他就一定是不理解量子力学。”爱因斯坦说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明白。”费曼说：“我们知道它如何计算，但不知道它为何要这样去计算，但只有这样去计算才能得出既有趣又有意义的结果。”（原话可能有出入，大意如此）
杨振宁、李政道提出弱相互作用中宇称不守恒！
射线与物质的相互作用
波色子和费米子是啥？