物理|物理学的现象学( 六 )_伽利略·伽利雷|现象学|科学

mn/mp ≈ 1.001378
中子和质子都是强相互作用粒子，而这两者的质量又相差这么小。海森堡意识到，在强相互作用中实际上很难分辨出质子和中子的区别，虽然质子带电而中子不带电。换句话说，在强相互作用的现象中，质子和中子就像是长得很像的双胞胎，人们很难区分。具体一些说，如果在强相互作用中交换质子和中子，除了因为电荷导致的效应外，应该看不出区别。如果把一个物理过程中的中子代换成质子、质子代换成中子，即
p ←→ n
则通过代换得到的新物理过程与老物理过程具有几乎相同的散射截面等物理性质。用专业语言说，在强相互作用中交换质子和中子是对称的，这种对称性被称作同位旋对称性。更进一步，质子和中子这样的核子是通过 π 介子发生强相互作用，如果同位旋对称性是对的，在 π 介子那里也应该有类似的对称性质。 π 介子有三种，分别带有正电荷、负电荷和零电荷, 即 π+、π- 和 π0 。实验发现这三种 π 介子的质量非常也接近，例如现代的测量表明带电 π 介子的质量(mπ±) 与不带电的 π 介子的质量 (mπ0)之比是
mπ± /mπ0 ≈ 1.03403
这说明，在强相互作用中 π 介子也是很难分辨的三胞胎。海森堡认识到，应该在强相互作用中把质子和中子当作 “一个东西” (N) 的两个分量来看待，就如同平面上的一个矢量有两个分量，即表示成
$N=$ $\left(%左括号\beginarrayccc%该矩阵一共3列，每一列都居中放置p \\%第一行元素n \\%第二行元素\endarray\right)%右括号$
这被称作是同位旋的二重态，即质子和中子是N的两个分量，而三个 π 介子应该被类似地写在一起，成为同位旋的三重态。海森堡的建议是一个思想的飞跃，他实际上建议了当人们写出质子和中子的强相互作用理论的时候应该遵守一个规则，即使用同位旋二重态 N 。同位旋对称性在粒子物理与核物理的发展中曾经起到非常重要的作用。直到今天，这一对称性仍然是核物理和强子物理研究的基本概念和基本研究手段之一。

物理|物理学的现象学( 六 )

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