千年以來(lái),,人類(lèi)一直思索著兩個(gè)最基本的問(wèn)題:
我們之所以不斷地在思考著兩個(gè)問(wèn)題,是因?yàn)榇鸢覆粌H跟我們息息相關(guān)(可閱讀今天的第二篇推文《關(guān)于你的粒子物理學(xué)》),,也是理解塑造宇宙背后的定律的關(guān)鍵,。 粒子物理學(xué)正是這樣一門(mén)學(xué)科,它研究的是構(gòu)成萬(wàn)物的基本粒子,,以及這些粒子之間是如何相互作用的,。在科學(xué)史上,粒子物理學(xué)的研究涉及了最大,、最復(fù)雜,、最精密的實(shí)驗(yàn)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看,,粒子物理學(xué)也被應(yīng)用在了方方面面——從固體物理到醫(yī)學(xué)診斷再到分布式計(jì)算,。 △ 粒子物理學(xué)不僅改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí),同時(shí)它也在其它科學(xué)領(lǐng)域,、教育,、生活質(zhì)量上都做出了重大的貢獻(xiàn)。(圖片來(lái)源:Sandbox Studio, Chicago) 現(xiàn)在,,我們通過(guò)下面的十個(gè)問(wèn)題,,來(lái)一場(chǎng)粒子物理學(xué)的探索之旅吧! 1. 剛才提到了基本粒子,,這邊的“基本”有什么特別含義嗎,? 當(dāng)我們說(shuō)“基本粒子”的時(shí)候是指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(lèi):費(fèi)米子(Fermion)和玻色子(Boson),。 在日常生活中,,我們看見(jiàn)的所有東西,包括我們自己,,都是由原子組成的,。兩千多年前,德謨克利特就提出物質(zhì)是由不可分割的原子組成的,。但是直到1897年,,湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子后,,才提出了第一個(gè)現(xiàn)代原子模型。 △ 圖1:湯姆遜原子模型:呈圓球狀的原子,,充斥著正電荷,,而帶負(fù)電荷的電子則像一粒粒葡萄干鑲嵌其中。(圖片來(lái)源:Benjamin) 不久后,,實(shí)驗(yàn)家試圖“窺視”原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,并驚奇的發(fā)現(xiàn),原子其實(shí)是由極小但是密度較高帶正電的原子核和圍繞著原子核帶負(fù)電的電子組成的,。 很快,,物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成的。然而,,這并沒(méi)有阻止物理學(xué)家繼續(xù)探索更基本的可能性,,結(jié)果就是他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子其實(shí)都是由更小的夸克組成的! △ 原子的結(jié)構(gòu):中間的原子核由質(zhì)子和中子組成,,而質(zhì)子和中子則由更小的夸克構(gòu)成,,圍繞著原子核的是電子。(圖片來(lái)源:CERN) 就目前所知,,夸克和輕子(如電子)是最基本的,。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)(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)。 △ 費(fèi)米子:左邊是三代夸克上(u),、下(d),、粲(c)、奇(s),、底(t)及頂(b),;右邊是三代輕子:電子(e)、μ介子和τ介子,,以及它們相應(yīng)的中微子(ν),。(圖片來(lái)源: Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova) 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(ài)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,因而是符合玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布的粒子),。玻色子包括:光子,、W玻色子、Z玻色子,、膠子,、希格斯玻色子(后面會(huì)提到)。這些粒子被稱為載力粒子,,它們是傳遞基本力的媒介粒子,。每一種玻色子都跟四種基本力的一種有關(guān),比如電磁力是由光子傳遞的,。 △ 圖中顯示的玻色子有:膠子(g),、希格斯玻色子(H)、W玻色子和光子(γ),。(圖片來(lái)源: Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova) 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,。 △ 基本力的產(chǎn)生是通過(guò)載力粒子交換而產(chǎn)生的,。(圖片來(lái)源:Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova) 這些基本粒子都是非常非常小的,有多???如果有興趣建議閱讀:《基本粒子有多少?》,。 2. 上面提到了基本力,,能不能多解釋一點(diǎn)?有時(shí)看到文章說(shuō)基本力,,有時(shí)又看到說(shuō)基本相互作用,,這兩則之間有區(qū)別嗎? 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、引力,、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:引力(Gravity),、電磁力(Electromagnetism)、強(qiáng)核力(Strong)和弱核力(Weak),。(圖片來(lái)源:One Universe At a Time) 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(導(dǎo)致指南針指向北方),,弱核力(是它太陽(yáng)才能夠?yàn)槲覀兲峁┠芰浚?,以?strong>引力(造成蘋(píng)果落在地上)。它們的媒介粒子分別是膠子,、光子,、W±/Z玻色子和假想的引力子。(可以進(jìn)一步閱讀《一場(chǎng)基本力之間的較量》,,從另一個(gè)角度回答哪個(gè)基本力最強(qiáng),。) △ 大統(tǒng)一理論:三種基本力在高能下會(huì)統(tǒng)一在一起。(圖片來(lái)源:CERN) 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),。 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。 3. 物理學(xué)家用什么工具來(lái)探索這些粒子,? 為了探索這些粒子,,我們面臨了兩個(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)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,。 接著我們需要知道愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。該理論最深刻的洞見(jiàn)就是發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量和能量之間可以相互轉(zhuǎn)換,,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)。 4. 目前世界上最大的粒子加速器是哪個(gè),?在加速器中要怎么探測(cè)各種各樣的粒子,? 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,。(圖片來(lái)源:Wikipedia) 最出名,、最大的兩個(gè)粒子探測(cè)器是ATLAS和CMS。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(Tracking),、電磁熱量計(jì)(E-M Calorimeter),、重子熱量計(jì)(Hadron Calorimeter)和介子室(Muon Chambers)。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(Neutrino),,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)推論中微子的存在。 注意事項(xiàng):
5. 還有其它類(lèi)型的加速器嗎? 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,。 △ 三種不同的粒子加速器:同步加速器,回旋加速器和直線加速器,。(圖片來(lái)源: Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova) 但除了環(huán)形加速器,,還有其它種類(lèi)的加速器,比如直線加速器,。中國(guó),、日本都有計(jì)劃建設(shè)下一代的加速器,詳情可閱讀《一場(chǎng)科學(xué)“對(duì)撞”背后的物理》,。 6. 還有其它研究粒子的方法嗎,? 當(dāng)然,除了在加速器自己去創(chuàng)造粒子,還有許多的粒子來(lái)自外太空的天文現(xiàn)象,,比如爆炸中的恒星或黑洞等等,。例如,太陽(yáng)除了輻射出光以外,,還輻射了大量的中微子,。世界上有許多大型的實(shí)驗(yàn)都在捕捉中微子,但中微子跟物質(zhì)的作用非常微弱,,因此極難被探測(cè)到,,對(duì)中微子的研究或許是通往“新物理”(見(jiàn)問(wèn)10)的突破點(diǎn)。 △ 中國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn),。該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)因探測(cè)到了中微子振蕩而獲得了2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng),。(圖片來(lái)源:Wikipedia) 關(guān)于如何探測(cè)中微子可進(jìn)一步閱讀《在魔幻般的世界,尋找幽靈般的粒子》,。 7. 我想知道描述這些粒子背后的理論是什么樣的,? 到目前為止,你看到的都是一些基本粒子,,它們都很容易記住,。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(lèi)似一張這樣的圖: △ 標(biāo)準(zhǔn)模型:包含了六個(gè)夸克,、六個(gè)輕子,、以及玻色子。(圖片來(lái)源:CERN) 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L等于這個(gè)方程.......(圖片來(lái)源: T.D. Gutierrez) 如果想進(jìn)一步了解該方程可閱讀《簡(jiǎn)潔又美麗的標(biāo)準(zhǔn)模型方程》,。 (注:很多人可能會(huì)對(duì)群論的概念會(huì)比較陌生,未來(lái)將在《萬(wàn)有理論》系列文章中的《大統(tǒng)一理論》中詳細(xì)介紹,。) 8. 2012年的時(shí)候,,科學(xué)家在LHC找到了希格斯玻色子,究竟什么是希格斯玻色子,?玻色子意味著它是一種力嗎,? 在1960年代,標(biāo)準(zhǔn)模型慢慢地被拼湊在一起,然而理論物理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)他們無(wú)法解釋為什么基本粒子會(huì)有不同的質(zhì)量,。 1964年,,三個(gè)不同小組(包括: Higgs, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, 和 Kibble)分別提出一個(gè)解決方案,只要引進(jìn)一個(gè)新的場(chǎng)就可以解決問(wèn)題了,。雖然是六個(gè)人一起發(fā)現(xiàn)的,,但通常只被稱為希格斯場(chǎng)。而跟希格斯場(chǎng)相聯(lián)系的粒子就是自旋為零的希格斯玻色子,。下面我們通過(guò)三幅漫畫(huà)了解基本粒子是如何通過(guò)希格斯場(chǎng)獲得質(zhì)量的: (圖片來(lái)源:CERN) 一群物理學(xué)家聚在一個(gè)雞尾酒派對(duì)中,,他們安靜的談話著,就好比空間充滿了希格斯場(chǎng),。 (圖片來(lái)源:CERN) 在某個(gè)時(shí)刻,,愛(ài)因斯坦突然走進(jìn)了派對(duì)之中,當(dāng)他穿過(guò)人群的時(shí)候造成了小騷動(dòng),,他的仰慕者紛紛向他靠攏,。 (圖片來(lái)源:CERN) 在走進(jìn)房間之前,愛(ài)因斯坦可以自由的移動(dòng),。但是當(dāng)他走進(jìn)一個(gè)滿是物理學(xué)家的派對(duì)時(shí),,他的移動(dòng)速度變慢了,仰慕者使他難以行動(dòng),。換句話說(shuō),,他獲得了質(zhì)量。這就好比是無(wú)質(zhì)量的粒子通過(guò)跟希格斯場(chǎng)作用而獲得質(zhì)量,。 另外,我們?cè)谇懊娴膯?wèn)題中提到了,,每個(gè)玻色子都跟基本力有關(guān)系,。那希格斯玻色子是否暗示著存在一種新的力?這是個(gè)很值得探討的問(wèn)題,。 一個(gè)場(chǎng)要產(chǎn)生一個(gè)力需要滿足三個(gè)條件:場(chǎng)必須可以開(kāi)和關(guān),;它必須有一個(gè)偏好的方向;它也必須可以吸引或排斥,。 通常希格斯場(chǎng)不滿足前兩個(gè)——它總是開(kāi)的,,沒(méi)有偏好的方向。但是由于希格斯玻色子的存在,,場(chǎng)會(huì)被干擾,,理論上允許產(chǎn)生力。姑且稱之為希格斯力吧,。 但是這個(gè)力在宇宙中扮演什么樣的角色仍然還是個(gè)謎題,。我們知道希格斯場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)生穩(wěn)定物質(zhì)是必須的。但就目前所知,希格斯力并不一定,。 希格斯力可能對(duì)于暗物質(zhì)的存在,,或物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱非常重要。我們還不清楚細(xì)節(jié),,2012年首次發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子僅僅只是個(gè)開(kāi)始,,因此目前LHC的主要目標(biāo)之一就是發(fā)現(xiàn)更多希格斯玻色子,更加深入的研究它們的性質(zhì),。 9. 粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型還有那些未回答的問(wèn)題,? 有很多,,例如:
等等,。 (注:有一些未解之謎已經(jīng)或?qū)?huì)在《萬(wàn)有理論》系列文章中詳細(xì)討論。) 10. 經(jīng)??吹轿恼抡f(shuō)“新物理”是指什么,? “新物理”通常是指超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論,這些理論除了要復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)模型的成功,,還必須解釋標(biāo)準(zhǔn)模型不能回答的問(wèn)題,。這樣的理論有許多。其中一個(gè)最受推崇的是超對(duì)稱理論,。超對(duì)稱除了能夠解釋許多問(wèn)題(比如暗物質(zhì)和等級(jí)問(wèn)題),,物理學(xué)家認(rèn)為它能夠被LHC驗(yàn)證(詳見(jiàn)《超對(duì)稱的崛起和衰落》),。 除了那些未被驗(yàn)證的新理論,有一部分物理學(xué)家把希望寄予中微子的身上。在標(biāo)準(zhǔn)模型中,,中微子是沒(méi)有質(zhì)量的,。然而,在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)中微子具有非常小的質(zhì)量,,這是目前發(fā)現(xiàn)的唯一有堅(jiān)實(shí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象,。 |
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來(lái)自: 紅豆居士 > 《物理學(xué)》