|
茶杯、冰塊、圓珠筆、綠植、沙發(fā)......這些我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ臇|西都是由什么組成的？ 顯然，它們有著不同的材質(zhì)、顏色和形狀，這是否意味著它們是由不同的東西組成的？如果我們能夠?qū)⑺鼈円恢狈指钕氯?，是否?huì)發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)都是由某些最小的單元組成的？ 一開始，原子被認(rèn)為是構(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)單元，原子的英文“atom”一詞有“不可分割”之意?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)了100多種不同類型的原子，將它們排列在那張懸掛于世界各地化學(xué)教室墻上的元素周期表中。  ○ 元素周期表中的元素并不是在宇宙誕生后就全部出現(xiàn)的，而是在漫長(zhǎng)的宇宙演化歷史中，逐漸在不同的物理過(guò)程中形成的。| 圖片來(lái)源：Jennifer Johnson 但原子并非故事的結(jié)局，如果將它們進(jìn)一步分割就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是由更小的基本粒子組成的。在過(guò)去的50年，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多的粒子，并構(gòu)建了描述這些粒子復(fù)雜相互作用的模型。  不可分割的基本粒子 上個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子實(shí)際上是由更小的質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的。質(zhì)子和中子組成了原子核，而電子則圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。原子核周圍的電子會(huì)與其他原子中的電子結(jié)合，并形成復(fù)雜的排列；這種結(jié)合正是化學(xué)的基礎(chǔ)，也是我們周圍各種物質(zhì)之所以形態(tài)、性質(zhì)各異的基礎(chǔ)。 然而，質(zhì)子和中子仍不是不可分割的結(jié)構(gòu)，它們是由被稱為上夸克和下夸克的粒子構(gòu)成的。就目前所知，夸克和輕子（如電子）是最基本的。 當(dāng)我們說(shuō)“基本粒子”的時(shí)候,指的是不能再由更小的粒子構(gòu)成的粒子。而基本粒子又分為兩類：費(fèi)米子（Fermion）和玻色子（Boson）。 所有的夸克和輕子都屬于基本費(fèi)米子。所有的粒子都具有自旋（粒子具有的內(nèi)稟性質(zhì)，相關(guān)但不等同于經(jīng)典力學(xué)的角動(dòng)量）的性質(zhì)，費(fèi)米子的自旋為半整數(shù)（即1/2、3/2...)，而且都遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)（在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中用來(lái)描述由大量滿足泡利不相容原理的費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中，粒子處在不同量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律）。  另一方面，所謂的玻色子，是自旋為整數(shù)（0、1、2..）的粒子，并且遵守玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)（與費(fèi)米子不一樣，玻色子在某一個(gè)能級(jí)下，可以容納無(wú)限個(gè)粒子）。玻色子包括：規(guī)范玻色子（光子、W玻色子、Z玻色子和膠子）和希格斯玻色子（發(fā)現(xiàn)于2012年）。規(guī)范玻色子被稱為載力粒子，它們是傳遞基本力的媒介粒子，比如光子負(fù)責(zé)傳遞電磁力（如下圖）。  簡(jiǎn)單的說(shuō)，這些載力粒子就是兩個(gè)粒子之間的信使?；玖褪峭ㄟ^(guò)載力粒子的交換而產(chǎn)生的，這已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大力的支持。 希格斯玻色子則非常特殊，它來(lái)自于充滿空間的看不見的場(chǎng)。沒有它，我們就不會(huì)存在，因?yàn)榱Ｗ訒?huì)通過(guò)與場(chǎng)相互作用從而獲得質(zhì)量。  比基本粒子更基本的場(chǎng) 費(fèi)曼曾提出過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：假設(shè)人類的所有知識(shí)都被抹去，你只能將一條與自然有關(guān)的信息傳達(dá)給重新開始的新生文明，那會(huì)是什么？它顯然不能是復(fù)雜的數(shù)學(xué)——它必須是某種能用通俗語(yǔ)言解釋的簡(jiǎn)單東西。費(fèi)曼回答的是他會(huì)告訴他們關(guān)于原子的事?；蛘吒鼫?zhǔn)確地說(shuō)，他會(huì)告訴他們物質(zhì)是離散的，是由基本的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的。 然而，在過(guò)去的幾十年里，我們逐漸認(rèn)識(shí)到宇宙中最基本的單元并不是粒子和原子，而是場(chǎng)。20世紀(jì)的關(guān)鍵突破之一便是認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)： 自然界中每種粒子都有其不同的場(chǎng)。 宇宙中充滿了場(chǎng)，比如夸克場(chǎng)、電子場(chǎng)、中微子場(chǎng)、光子場(chǎng)和希格斯場(chǎng)等等，而我們所認(rèn)為的粒子只是這些場(chǎng)的“激發(fā)態(tài)”（或者說(shuō)是場(chǎng)的局域振動(dòng)），就像海洋中的漣漪。 因此，粒子物理學(xué)的研究就被稱作為量子場(chǎng)論。   支配萬(wàn)物的基本力 物理學(xué)家經(jīng)過(guò)過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的努力，已經(jīng)搞清楚了自然界中共有四個(gè)基本力，所有其他的力都可以被歸納為這四種基本力。例如，日常生活中我們熟悉的摩擦力、磁力、原子核衰變等等都是由這四種基本力之一所引起的。  ○ 四種基本力。 如果按強(qiáng)弱懸殊來(lái)排列著四種力的話，它們分別是強(qiáng)核力（將原子核束縛在一起），電磁力（作用在帶電粒子間），弱核力（支配了粒子的衰變），最后是引力（作用在擁有質(zhì)量的物體之間）。它們的媒介粒子分別是膠子、光子、W和Z玻色子，以及假想的引力子（目前描述引力最好的理論是廣義相對(duì)論，一些試圖量子化引力的理論提出了引力子）。 物理學(xué)家的夙愿是統(tǒng)一這四種基本力。在高能下，電磁力和弱核力的確已經(jīng)被統(tǒng)一成電弱力。一些物理學(xué)家認(rèn)為，在更高的能量下——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了我們目前在實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的能量——強(qiáng)核力、弱核力和電磁力會(huì)統(tǒng)一成一個(gè)“大統(tǒng)一”的力。這樣的一個(gè)理論被稱為“大統(tǒng)一理論”（GUT）。  ○ 大統(tǒng)一理論：三種基本力在高能下會(huì)統(tǒng)一在一起。 有許多物理學(xué)家也經(jīng)常隨意地使用“基本力”和“基本相互作用”。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，力是因?yàn)橐粋€(gè)粒子的存在影響了另一個(gè)粒子；而粒子的相互作用包括了全部影響它的力，也包括了粒子可能經(jīng)歷的衰變和湮滅。因此“相互作用”的用法更加準(zhǔn)確。通常你可以隨意使用兩者，但必須記住它們間的區(qū)別。  粒子加速器 要探索這些粒子，我們面臨著兩個(gè)問(wèn)題：
為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家就需要粒子加速器。 物理學(xué)家無(wú)法用光來(lái)探索這些粒子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)了。為了看到最小的粒子，物理學(xué)家需要波長(zhǎng)盡可能小的粒子。但是，在自然界中大多數(shù)的粒子都具有相當(dāng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)。物理學(xué)家如何把粒子的波長(zhǎng)減少，使粒子可以成為探子呢？我們要記住一個(gè)事實(shí)：所有的粒子都具有波的性質(zhì)，即所謂的波粒二象性。由于能量和頻率是正比的，能量和波長(zhǎng)是反比的。因此當(dāng)粒子在加速器中被加速到越高的能量時(shí)，波長(zhǎng)就足夠小到可以穿進(jìn)原子內(nèi)部。  ○ 質(zhì)能等價(jià)：E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表光速。 接著我們需要知道的是愛因斯坦的狹義相對(duì)論。該理論最深刻的洞見就是發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量和能量之間是等價(jià)的，物體的運(yùn)動(dòng)速度越接近光速，它的質(zhì)量就變的越大。結(jié)果就是，在加速器中的粒子被加速到越接近光速，它們獲得的能量就越高。如此就可以創(chuàng)造出很多不穩(wěn)定的大質(zhì)量粒子，進(jìn)而研究它們的性質(zhì)。 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) 歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最強(qiáng)大的粒子加速器。它將兩束質(zhì)子加速至非常高的能量，繞著周長(zhǎng)27公里的環(huán)形軌道不斷加速，并將它們進(jìn)行對(duì)撞。對(duì)撞并不是發(fā)生在任意的地方，而是固定的對(duì)撞點(diǎn)，它們被探測(cè)器包圍著。 ○ 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。 最出名、最大的兩個(gè)粒子探測(cè)器是ATLAS和CMS（如上圖）。除了這兩個(gè)，還有LHCb、ALICE、TOTEM、MoEAL和LHCF。它們都肩負(fù)著不同的使命在尋找、研究不同的粒子。 一個(gè)典型的現(xiàn)代探測(cè)器包括了四個(gè)主要部件：追蹤室、電磁熱量計(jì)、強(qiáng)子量能器和μ介子室。每一個(gè)部件都負(fù)責(zé)探測(cè)不同的粒子，比如下圖： ○ ATLAS探測(cè)器。| 圖片來(lái)源：ATLAS 上圖中的虛線表示探測(cè)器探測(cè)不到的粒子，比如中微子，因?yàn)橹形⒆踊静慌c粒子作用。我們只能由缺少的物質(zhì)或能量來(lái)推測(cè)中微子的存在。 值得一提的是：
LHC是環(huán)形加速器，美國(guó)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）也是另一個(gè)比較有名的。但除了環(huán)形加速器，還有其它種類的加速器，比如直線加速器。中國(guó)、歐洲都有計(jì)劃建設(shè)下一代的加速器。 當(dāng)然，除了在加速器中創(chuàng)造粒子，還有許多的粒子來(lái)自外太空。例如，太陽(yáng)除了輻射出光以外，還輻射了大量的中微子。
背后的方程 到目前為止，以上提到的基本粒子都很容易記住。這些基本粒子又可以組成許多的復(fù)合粒子，比如中子和質(zhì)子以及上百種其它的粒子。 而描述這些基本粒子以及它們之間的相互作用的理論叫做粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。通常提到標(biāo)準(zhǔn)模型，你會(huì)看到類似一張這樣的圖： ○ 標(biāo)準(zhǔn)模型包含了夸克、輕子和玻色子。 標(biāo)準(zhǔn)模型包含了三個(gè)群：SU(3)、SU(2)和U(1)。每個(gè)群都代表一個(gè)規(guī)范相互作用。強(qiáng)相互作用的規(guī)范群是SU(3)，而電弱作用的規(guī)范群是SU(2)×U(1)。所以標(biāo)準(zhǔn)模型也被稱為SU(3) × SU(2) × U(1)。而標(biāo)準(zhǔn)模型背后的數(shù)學(xué)公式看起來(lái)是這樣的： ○ 標(biāo)準(zhǔn)模型的拉格朗日量，其中包含了五個(gè)獨(dú)立的部分，描述了膠子，玻色子間的相互作用，與希格斯場(chǎng)的基本作用等等。| 圖片來(lái)源：T.D. Gutierrez 未解的難題 在過(guò)去的幾十年中，標(biāo)準(zhǔn)模型極其成功，但它也并不完備，其中最顯而易見的是它并沒有將引力囊括進(jìn)來(lái)。此外，還有許多問(wèn)題都是標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法回答的，比如：
等等。 為此，物理學(xué)家發(fā)展了許多超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論。它們都有著十分酷炫的名字，比如大統(tǒng)一理論、超對(duì)稱和弦論等等。但可惜的是，這些所謂的超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論還沒能成功地預(yù)測(cè)到任何新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。今天，標(biāo)準(zhǔn)模型似乎還未到升級(jí)更新的時(shí)刻，這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)說(shuō)是件值得慶祝的事，它仍然是迄今描述（幾乎）萬(wàn)物最完美的理論。 |
|
|
