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天文物理的困惑等等.docx
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天文物理的困惑等等
物理学的困顿:
宇宙学心脏上的黑暗虚空
Shea发表于 2013-03-1917:
57
现在的主流宇宙学模型与观测事实符合得极好,只是必须用到太多不明“真相”的黑暗成分。
图片来源:
(文/StephenBattersby)对于我们的眼睛来说,星星即是宇宙。
然而对于宇宙学家而言,它们不过是闪烁的尘埃,是宇宙真相中不起眼的点缀而已。
有两样难以捉摸的东西,数量远远超过普通的星星和气体,分别被称为暗物质和暗能量。
我们对它们一无所知,只知道它们似乎构成了宇宙中的几乎所有一切。
这对孪生的幽灵足以让我们暂时停下脚步,思量在过去的一个世纪里,我们仔细建立的宇宙学模型是否正确。
还不仅于此。
我们的标准宇宙学模型还指出,在大爆炸之后的瞬间,空间就被一种未知的东西拉伸成形,这第三种“暗”成分被称为暴胀场。
这可能意味着,在我们视线之外还隐藏着无数其他宇宙,其中的大多数另类得不可思议——而它们的存在,只是为了让我们的宇宙模型能够发挥作用。
让我们的观测承载起这些幻影,负担是否太过于沉重?
难道真如马克·吐温(MarkTwain)所言,投入一些微不足道的事实,就能收获一大堆猜测不成?
标准宇宙学的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。
爱因斯坦出发点是一个简单的观测事实:
任意物体的引力质量完全等同于它的惯性质量,也就是它抵御加速度的能力(参见《牺牲爱因斯坦颠覆相对论基石》一文)。
由此,他推导出了一组方程,描述质量和运动如何弯曲空间,以及这种弯曲如何被我们视为引力。
苹果落地正是因为地球的质量弯曲时空所致。
在地球这种引力相对较弱的环境中,广义相对论的效果看起来跟原先牛顿引力理论的预言非常相似。
牛顿理论把引力当成一个作用力,在物体之间瞬间传递。
然而,在引力场较强的地方,两者的预言就会大相径庭。
广义相对论多出了一个预言:
加速运动的物体会在时空结构中产生微小涟漪,被称为引力波。
虽然引力波尚未被直接观测,但1974年发现的一对致密脉冲星在相互旋转的过程中正在彼此靠近,就好像它们正在发射引力波,从而损失轨道能量一样。
引力在宇宙尺度上是自然界的主导力量,因此广义相对论就成了我们把宇宙当成一个整体,描述其运动及演化的最佳工具。
但是它的方程极其复杂,可调节的参数多到让人发悚。
如果把一套复杂的参数代入方程,比如真实宇宙中质量和能量纷繁复杂的分布细节,整套方程就会变得无法求解。
为了建立一个有效的宇宙学模型,我们做了一些简化假设。
最主要的假设被称为哥白尼原理,即我们所处的位置并无任何特殊之处。
宇宙在任何地方看起来都应该差不多是一样的——事实上,当我们在足够大的尺度上放眼望去,物质分布确实是相当均匀的。
这意味着,爱因斯坦方程只需要代入一个参数就够了,那就是宇宙的物质密度。
对于我们的眼睛来说,星星即是宇宙。
然而对于宇宙学家而言,它们不过是闪烁的尘埃,是宇宙真相中不起眼的点缀而已。
图片来源:
NASA
最大的错误
爱因斯坦在他自己建立的第一个简化宇宙模型里填满了均匀分布的无碰撞尘埃,结果这个宇宙会在自身引力作用下收缩。
他把这种收缩视为一个问题,因此为了避开收缩,他在方程中添加了新的一项,使得真空本身获得了一个恒定的能量密度。
它的作用是排斥,因此加入适量的这种“宇宙学常数”,就可以确保宇宙既不膨胀,也不收缩。
到了20世纪20年代,当观测表明宇宙确实正在膨胀时,爱因斯坦将他的这个举动称为是他最大的错误。
把相对论方程应用于膨胀宇宙的是其他人。
他们得到了一个模型:
宇宙始于一个密度高到难以想象的小点,膨胀速度则在物质引力的作用下逐渐放缓。
这就是大爆炸宇宙学的由来。
当时的主要问题在于,宇宙膨胀最终会不会停下来。
答案似乎是否定的:
宇宙中的物质太少,引力不足以束缚住四散逃逸的星系。
宇宙应该会永远向外扩散下去。
接下来,宇宙幽灵便开始浮现。
第一位黑暗使者早在20世纪30年代就已登门,但直到20世纪70年代末,当天文学家发现星系自转速度太快时,它才被人完全认清。
可见物质的引力太弱,根据广义相对论,甚至直接依据古老的牛顿物理学,它们都应该无法维系住这些星系才对。
天文学家得出结论,必定存在大量看不见的物质,提供了更多引力来维系星系。
暗物质的存在也得到了其他证据的支持,比如星系群的运动以及它们弯曲光线的方式。
第一代星系在形成之初,也需要它们帮忙先把物质拉拢在一起。
总而言之,暗物质的总质量似乎是可见气体和恒星的5倍左右。
但暗物质的成分仍然未知。
它们似乎是粒子物理学标准模型之外的东西。
尽管我们尽了最大的努力,还是没有在地球上观测到或者是创造出一个暗物质粒子。
不过,它对宇宙学标准模型的改变并不大:
在广义相对论中,暗物质的引力作用和普通物质完全相同,然而即便有这么多能够产生引力的物质,也不足以让宇宙膨胀停下脚步。
第二位黑暗使者引发了一场更深刻的变化。
20世纪90年代,天文学家对Ia型超新星的爆发进行了观测,这种方法能够追踪宇宙膨胀的速度,精度远远超过以往。
他们发现宇宙膨胀正在加速,似乎有某种斥力作用于整个宇宙,正在全面压制物质间的万有引力。
精确的配方
这有可能是爱因斯坦宇宙学常数的再生,即真空中一种能够产生排斥的能量。
然而,粒子物理学家仍在纠结,为什么空间本身隐含着这么小的能量密度。
于是,富有想象力的理论学家提出了其他想法,比如由尚未发现的粒子产生的能量场,再比如源自可观测宇宙之外或者从其他维度“渗透”过来的作用力。
不管这种暗能量是什么,它看起来足够真实。
大爆炸后仅37万年,第一代原子形成时释放的辐射,如今已成为宇宙微波背景辐射。
微波背景中包含着某种图案,由温度稍高和稍低的斑点构成,分别代表着年轻宇宙中密度稍高和稍低的地方。
这些斑点的典型尺度可以用来衡量,空间作为一个整体,被其中的物质及其运动弯曲到了何种程度。
结果表明,空间看上去几乎是完全平直的,这意味着所有能够弯曲空间的效应必定都相互抵消掉了。
这也意味着,必需要有某种额外的斥力,来平衡由于膨胀和物质引力产生的弯曲。
星系在空间中的分布模式也给出了类似的结论。
WMPA探测器发现,宇宙微波背景辐射中温度稍高和稍低的点构成了某种图案,这种图案告诉我们宇宙在整体上几乎是平直的。
图片来源:
mit.edu
所有这些观测证据,让我们得到了宇宙的一份精确配方。
空间中普通物质的平均密度为每立方米0.426幺克(1幺克等于10-24克,0.426幺克大约相当于0.25个质子),占宇宙总能量密度的4.5%。
暗物质占了22.5%,暗能量则占到了73%。
基于广义相对论的大爆炸宇宙模型与我们的观测符合得极好——只要我们能够坦然接受“虚构”出来的那95.5%的宇宙。
不过,我们还必须“发明”更多东西才行。
为了解释宇宙为什么在所有方向上看起来都均匀到如此极致,今天的主流宇宙学理论还包含第三种诡异的成分。
在宇宙年龄只有10-36秒时,一种压倒性的力量接管了整个宇宙。
这种被称为暴胀场的东西,像暗能量一样表现为斥力,但要强大许多,导致宇宙爆发式膨胀了至少1025倍,拉平了空间,还抹去了所有的整体不规则性。
这段被称为暴胀的时期结束时,暴胀场转变成了物质和辐射。
暴胀场中的量子涨落,变成了密度上的细微起伏,最终演变成宇宙微波背景中的斑点,以及今天的星系。
这个梦幻一般的故事,看起来与观测事实也是相符的,但它也再次引入了许多“空想”出来的概念。
对于广义相对论而言,暴胀并不麻烦——在数学上,它只需要再加上一个跟宇宙学常数完全相同的项即可。
但是,这个暴胀场在某一时刻必须百分之百构成宇宙中的全部成分,而它的起源则与暗物质或暗能量一样,提出了一个大难题。
更重要的是,暴胀一旦开始就很难停止:
它会创造出众多与我们的宇宙风格迥异的宇宙。
在一些宇宙学家看来,预言存在多重宇宙成了一个迫切的理由,逼着他们去重新审视标准宇宙学的基本假设。
标准宇宙学模型在观测上也遇到了一些小麻烦。
大爆炸在理论上能够产生的锂7,要比宇宙中的实际含量高出许多。
微波背景辐射中某些特征似乎能够排列成行,特定视线方向上的星系看起来似乎更倾向于左旋自转,这些都无法用标准模型来解释。
新发现的一个长达40亿光年的超星系结构,也对宇宙在大尺度上平滑均匀的假设提出了质疑。
黑暗三重奏
随着更多观测数据的出炉,或者计算方法的改进,这些小麻烦很可能会自行消失。
但更大的问题仍然存在。
美国哈佛大学的宇宙学家、率先发现暗能量的超新星观测组成员罗伯特·克什纳尔(RobertKirshner)说:
“这我们不知道暗能量是什么,也不知道暗物质是什么,这或多或少会让人有一点尴尬。
”
自爱因斯坦那个满是尘埃的宇宙模型开始,宇宙学的数学基础就再也没有发生过变化,但不断添加的成分使得今天的宇宙模型更具活力,也体现了更多的细节。
宇宙的年龄和构成已经被了解得相当精确。
暗物质似乎已经创造出了星系和其他结构;暗能量暗示宇宙将加速膨胀,步入一个寒冷而孤寂的未来;暴胀则指出宇宙诞生于剧烈动荡之中。
这三驾黑暗马车,每一驾都指向了全新的物理学。
宇宙中的可见物质,只占宇宙总能量密度的4.5%,其余95.5%的成分仍然未知。
图片来源:
《新科学家》
克什纳尔将其视为一个挑战,“这并不意味着我们的观点有任何缺陷。
它带来的不是绝望,而是灵感。
”但是,只要我们还没有在实验室里找到暗物质的证据,或者证明暗能量的物理基础,我们就有可能仍然深陷于某种根本性的误解之中——或许,我们关于宇宙的数学模型出了某个非常基础的岔子,基础到了迄今为止还没有人想象得出这个错误会是哪一种形式,只是一个未知的未知。
量子引力论能告诉我们前进的方向吗?
抑或,一些新的观测能指引我们再次改写建立在广义相对论基础之上的宇宙学吗?
我们只有一些最含糊的线索,指引我们去寻找替代的宇宙学模型。
但或许,我们只需要摈弃一个没有人注意到的关于现实的假设,帷幕就会升起,所有的黑暗随即烟消云散,繁星之夜将再现光芒。
物理学的困顿:
数学是现实的根基吗?
只有学好数学才能懂物理吗?
Sheldon发表于 2013-03-1218:
13
(文/BrianGreene)19世纪中后期,麦克斯韦意识到光是一种电磁波。
当时,他的方程组表明,光速应该是每秒300000千米左右。
这与实验测量的结果十分接近,但麦克斯韦方程组遗留下了一个令人烦恼的小问题:
每秒300000千米的速度,是相对于谁而言的呢?
起初,科学家提出了一个权宜之计。
他们假设空间中充斥着一种看不见的物质,也就是“以太”(aether),来充当那个无形的静止参照物。
直到20世纪初,爱因斯坦提出,科学家必须要更认真地来看待麦克斯韦方程组。
如果麦克斯韦方程组里没有提到静止参照物,那就根本不需要静止参照物。
爱因斯坦大胆宣称,光速就是每秒300000千米,相对于任何物体都是如此。
具体细节只有历史学家才感兴趣,但我之所以提起这段往事,是为了强调一个更重要的观点:
每个人都看到了麦克斯韦方程组背后的数学,但只有天才的爱因斯坦才毫无保留地接受了它。
光速绝对不变的假设,让爱因斯坦实现了突破——先提出了狭义相对论,颠覆了数百年来人们对空间、时间、物质和能量的理解;最终提出了广义相对论,这种引力理论至今仍是我们研究宇宙的靠谱模型的基础。
只有天才的爱因斯坦,才毫无保留地接受了麦克斯韦方程组背后的数学,并由此提出了狭义相对论。
图片来源:
这个故事完美诠释了诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格(StevenWeinberg)的本意。
他曾经写道:
“我们的错误不在于把理论看得过于认真,而在于看得还不够认真。
”温伯格指的是宇宙学中的另一项重大突破——由拉尔夫·阿尔珀(RalphAlpher)、罗伯特·赫尔曼(RobertHerman)和乔治·伽莫夫(GeorgeGamow)提出的预言,即宇宙中存在微波背景辐射,这是大爆炸的余辉。
这个预言是广义相对论与基本热力学结合后直接就能够得出的推论。
但直到又过了几十年,人们再次从理论上得出这个预言,然后又在机缘巧合之下被人观测到之后,微波背景辐射才得以名声大噪。
诚然,温伯格的看法必须要小心对待。
尽管有太多已经证明与现实世界有关的数学方程是在他的桌子上得出的,但并不是说我们这些理论学家提出来的每一个方程都能达到温伯格的水准。
没有令人信服的实验结果,就贸然判断哪个数学方程值得认真对待,科学就变成艺术了。
爱因斯坦就是这样一位艺术大师。
在1905年提出狭义相对论之后的10年里,他精通了多个数学领域,而那个年代的大多数物理学家对这些数学理论知之甚少,甚至一窍不通。
在摸索着写出广义相对论最终方程的过程中,爱因斯坦展示了举世罕见的技巧,将这些数学构想与物理直觉牢牢地融为了一体。
几年后,1919年的日食观测证实了广义相对论关于星光弯曲的预言。
爱因斯坦在得知这个消息时说,要是观测结果跟他的预言不一样,他“会为亲爱的‘上帝’感到遗憾,因为理论肯定是正确的”。
当然,假如确凿的观测数据真的否定了广义相对论,爱因斯坦肯定会换一套说辞。
不过,他的话生动体现了如下事实:
一套数学方程通过条理清晰的内在逻辑、自身的美妙以及广泛应用的潜力,似乎完全能够反映真正的现实。
几个世纪以来的发现已经提供了大量证据,表明数学有能力揭示世间万物不为人知的真相。
正是在数学强有力的引领之下,物理学才出现了一个又一个意义非凡的巨变。
然而,爱因斯坦对于他本人提出的数学方程,接受程度也是有限的。
他并没有“足够认真”地看待他的广义相对论,不相信这个理论预言的黑洞,也不相信它预言的宇宙膨胀。
其他物理学家对爱因斯坦方程的态度比他本人更加虔诚,他们的成就为随后近一个世纪的探索宇宙指明了方向。
相反,爱因斯坦则把他生命的最后20多年献给了数学研究,满怀激情地为物理学的理论统一这个高尚目标而鞠躬尽瘁。
回过头看,不得不承认,那些年里爱因斯坦对于他所身处的数学丛林过于执着,甚至有人会说过于盲目了。
就连爱因斯坦有时也会错误判断,哪个方程值得认真对待,而哪个方程不必郑重其事。
量子力学为这一困境提供了另一个研究案例。
1926年,埃尔温·薛定谔(ErwinSchrödinger)写了他的那个关于量子波动如何演化的方程。
在随后的几十年里,人们一直认为这个方程只跟分子、原子和基本粒子之类的微观物体有关。
但是在1957年,休·艾弗雷特(HughEverett)扮演起了半个世纪以前爱因斯坦的角色:
认真对待数学。
艾弗雷特主张,薛定谔方程理应适用于一切事物,因为所有物质不论大小,都是由分子、原子和亚原子粒子构成的,而那些粒子全都遵从着薛定谔提出的概率法则。
按照这种逻辑推演下来,不只是实验装置会遵从薛定谔方程,实验者亦是如此。
艾弗雷特据此提出了他的量子“多重宇宙”观点——按照这一观点,所有可能的结果在一系列数不胜数的平行世界中都真实发生了。
薛定谔提出的方程,描述了量子力学中波函数的运动。
艾弗雷特全盘接受了方程背后的数学,提出了量子“多重宇宙”的观点。
图片来源:
50多年过去了,我们仍然不知道艾弗雷特的方法是对是错。
但是,完完整整彻彻底底地认真看待量子论背后的数学,或许已经让他发现了科学研究中最为重要的一个启示。
从那时开始,旨在帮助我们从更深层次上理解现实世界的许多数学方程,都普遍引入了各种版本的多重宇宙。
最为彻底的版本被称为“终极多重宇宙”,认为一切在数学上自洽的可能宇宙都对应着一个真实存在的宇宙。
认真到如此极致,数学就是现实。
爱因斯坦提出过一个著名的问题:
宇宙之所以是现在这个样子,是不是仅仅因为其他宇宙不可能存在?
如果某些或者所有迫使我们考虑平行世界的数学被证明与现实世界有关,这个问题就有了一个明确的答案:
非也!
我们的宇宙并非唯一的可能。
宇宙也可以是别的样子,而且其他宇宙确实可以具有截然不同的特征。
果真如此的话,给“世界为什么是这个样子”寻求一个根本的解释,就是毫无意义的。
统计概率或者纯属巧合将深深扎根到我们对于宇宙的认识当中,而这个宇宙将会是极为广袤的。
我不知道情况会不会变成这样。
没有人知道结局。
但是,只有勇敢面对我们的局限性,只有理性追求科学理论,哪怕是那些认真对待其中的数学时会将我们引入完全陌生领域的理论,我们才有机会揭露现实世界被隐藏起来的那片广阔天地。
本文节选自布莱恩·葛林(BrianGreene)的新书《TheHiddenReality:
paralleluniversesandthedeeplawsoftheCosmos》,中文版暂定名为《平行宇宙是什么?
》
物理学的困顿:
希格斯粒子撞到死胡同?
kingmagic发表于 2013-03-2617:
46
编者按:
瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:
45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(FrançoisEnglert)和彼得·希格斯(PeterW.Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们预测了希格斯机制。
默里·盖尔曼,美国物理学家,因对基本粒子的分类及其相互作用的发现而获得1969年诺贝尔物理学奖。
夸克的概念就是他提出的。
图片来源:
(文/MatthewChalmers)那是在1964年2月,披头士乐队正准备席卷美国,一个魔咒般的想法闪过了理论物理学家默里·盖尔曼(MurrayGell-Mann)的脑海。
构成原子的质子和中子,本身会不会由更小的东西构成呢?
这些更小的粒子被命名为“夸克”(quark),纯粹是因为盖尔曼喜欢这个词的发音,读起来就像是“再来1夸脱酒”里的夸脱。
这个单词本身,则来自于詹姆斯·乔伊斯(JamesJoyce)的《芬尼根守灵夜》,一部与海鸥、性和酒馆老板有关的小说。
当时,物理学正极度需要新奇的想法。
几十种奇异的新粒子出现在宇宙线中,看上去既不合情,也不合理。
盖尔曼的新想法可以将质子、中子和所有这些新粒子,都看作是两个或者三个更基本粒子的组合。
对于当时的大多数物理学家来说,这个想法太过超前了。
这些新粒子打破了当时业已建立的规则,携带着+2/3或者-1/3这样的分数电荷,而且永远看不到它们独自出现。
自然实在的行事何以要如此乖张?
为什么就不能如此呢?
现在任职于美国新墨西哥州圣菲研究所的盖尔曼反驳道:
“每个人都说这不可能,那也不可能,但或许本来就没有什么好的理由——或许自然就是要如此乖僻嚣张。
”结果证明,就是如此。
今天,夸克成了粒子物理标准模型的基石,而标准模型则是整个科学界中最经得起检验的理论模型之一。
过去40年来,标准模型展现出不可思议的能力,一次又一次将理论物理学家的梦想变成无可辩驳的事实。
2012年,欧洲核子研究中心宣布在大型强子对撞机中发现希格斯玻色子,只是标准模型最新、也是最引人注目的一次展示而已。
这明显是一场名动四方的胜利,盛极而衰的窃窃私语却如影随行。
有了希格斯粒子,标准模型缺失的一环得以补完,但这个羽翼已丰的模型仍有瑕疵,实验上却已无力再发现新的线索来弥补这些不足。
历史循回,粒子物理学再一次亟待全新思想的拯救。
标准模型之路
美国得克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家史蒂文·温伯格(StevenWeinberg)说,“标准模型”这个名字是经过深思熟虑的委婉之辞。
正是他在1974年创造出了这个术语。
“我当时没想把它变成一种教条,而是想把它当成一个交流和实验的基础,以此引导我们做出发现,反过来证明它是错的。
”标准模型的要义只用一张明信片就能写完:
6种夸克两两成对,构成完全相同仅有质量差异的3“代”;6种轻子(lepton),比如电子和中微子,也像这样构成3代;屈指可数的几种玻色子,传递着自然界的基本作用力,穿梭于这些轻子和夸克之间。
标准模型中的许多粒子,在实验发现之前就已经被理论所预言。
2012年宣布发现的希格斯玻色子,为这一模型填上了最后一块空白。
图片来源:
《新科学家》
所有这些实体本质上都是量子粒子。
量子理论是从20世纪初的一些惊人发现中成长起来的。
那些发现向我们证明,原子发射和吸收辐射之所以具有那样的波长,只能通过假设能量被打包成不连续的小份才能加以解释。
这个假设进而又推导出了古怪的二象性:
在最小的尺度上,粒子是波,波亦为粒子。
这些含混不清的波动-粒子运动起来并不遵从经典的牛顿力学,而是在抽象数学空间中奇异规则的指引下跳着概率之舞。
到了20世纪20年代中期,量子力学已经大体成型,而且通过了当时所有实验的检验。
但就在上世纪20年代末,保罗·狄拉克(PaulDirac)和其他一些物理学家,开始将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论关联起来。
接下来,事情就如获得生命一般蓬勃发展起来。
狄拉克针对电子写下的相对论性方程,拥有不止一个解,似乎预言了一种新的粒子,与电子相同只是电荷相反。
5年后,正电子果然在宇宙线中被人发现。
反物质就这样,在理论物理学家的笔尖下被“发明”了出来。
量子场论,作为标准模型的理论基础,正是上述逻辑的集大成者。
用场来传递作用力,这个想法可以追溯到19世纪的迈克尔·法拉第(MichaelFaraday)那里,但量子场论的数学结构给这些场赋予了一个古怪的性质:
它们可以从空无一物的空间中随意创造出粒子,然后又将这些粒子湮没于无形。
因此,根据量子电动力学,两个电子之所以相互排斥,是因为一个光子(电磁场的量子粒子)——这个光子从无中生有,从一个电子传向另一个电子。
无数这样的“虚”粒子涨落,会轻微改变经典电子或者说“裸”电子的性质。
自上世纪40年代以来,这种改变已经被很多实验反复证实过了,精度令人瞠目结舌。
不过,量子论驯服其他几种基本力,还是颇费了一番功夫的。
弱核力,可以让一种粒子自发衰变成另一种粒子,但在量子论中,它在很长一段时间内都被难以驾驭的无穷大所困扰,除了最简单的一些效应,其他计算都陷入无望。
直到上世纪60年代,温伯格等人才找到了出路,一举将弱核力和电磁力统一成弱电力,只在能量极高的环境下才会现身,比如早期宇宙之中。
正如狄拉克方程预言了反物质一样,这个理论也预言了一些此前从未被人发现的粒子,包括:
大质量的W和Z玻色子,用来传递今天已经从弱电力中分离出来的短程弱核力;还有就是希格斯玻色子。
必须要有希格斯玻色子,才能确保W和Z玻色子在统一的弱电力拆分成电磁力和弱核力的所谓“破缺”过程中获得质量,从而将弱核力限制在原子尺度之内。
传递电磁力的光子则不会获得质量,让它们得以在宇宙中光速驰骋。
与此同时,用美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校戴维·格罗斯(DavidGross)的话来说,强核力的量子场论正在上演一出“咸鱼翻身”的好戏。
强核力是将核子束缚在原子核内的作用力,格罗斯则是用量子场论描述这种作用力的开创者之一。
最终,量子色动力学(这个词也是盖尔曼创造出来的)让夸克实至名归,将夸克之间的相互作用描述为它们在不断交换8种携带“色荷”的胶子。
量子色动力学还证明,为什么强核力会表现出绝无仅有的特性:
两个夸克间距越远,这种作用力就越强。
格罗斯说:
“它不但能够解释为什么质子看上去像是由夸克构成的,还能解释为什么无法将这些夸克从质子中拉出来。
”
这些基本上就是标准模型的全部身世了。
到了1973年,披头士乐队已经解散,而伴随着这一连串动人心魄的理论发明,标准模型终告确立——其中包括所有粒子都要遵从的弱电统一理论,以及仅仅约束着夸克和胶子的量子色动力学。
标准模型不仅睿智,而且美丽。
它的方程拥有如此有力的对称性,不仅阐明了自然界中各种作用力的本质,还告诉物理学家可以到哪里去寻找什么样的新粒子。
果然,代表着新粒子的一个个能量峰,很快就从粒子对撞机的数据中相继现身——伴随而至的,还有理论物理学家内心的狂喜。
前3种夸克存在的确凿证据早在上世纪60年代末就已在实验中得到确定,但直到上世纪70年代末,美国的实验物理学家才推测出第4种和第5种夸克的存在,最终在1995年,第6种夸克——顶夸克才在实验中现身。
到了2000年,τ中微子,标准模型预言的最后一种轻子,也被收入囊中。
在这场逐鹿战的另一端,胶子于1979年在德国汉堡郊外的DESY实验室被捕;W和Z玻色子则于1983年在CERN就擒。
最终,到了2012年,标准模型预言的最后一种粒子——希格斯玻色子,也被宣告发现。
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