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上帝粒子HIGGS的前生今世

 自问心如何 2012-01-09

上帝粒子HIGGS的前生今世(1

 

最近全球科学界正在发生两件真正的大事:

【1】    中微子被发现有超光速的迹象。

【2】    HIGGS上帝粒子被发现有存在的迹象。

 

第一件大事,可以动摇爱因斯坦【相对论】的基础!百年来的物理学可能要重写!

第二件大事,可以基本确认【标准模型】的可靠性!于是乎,近半世纪以来粒子物理学的理论基础【规范场理论】(Yang-Mills理论)可以得到非常坚实可靠的“实证”地位,其地位将完全可以媲美爱因斯坦的时空协变性和量子力学的波函数解释。

 

对于第一件大事,99%的物理学家不相信(或者,更确切地说,不希望)它会被证实,否则,大家的江湖地位不保。。。犹如发生暴力革命一般,原先的华尔街精英,都要开始重新学习如何养猪种地。。。

 

对于第二件大事,希望其结果为阳性或阴性的物理学家的比例估计是一半对一半,其中希望HIGGS存在的应该是年龄较大的一批。。。虽然霍金年龄也不小,他却不希望HIGGS存在,因为他本人对标准模型毫无贡献可言!

 

关于第一件大事,二傻以为,其结果为阳性的概率,与“光速目前已经变大”的概率,是差不多大(小)的。。。如果真的发生“超光速”了,估计目前尚活在世界上的所有诺贝尔物理学奖获得者,都必须赶紧自己去解释其原因何在了。。。有些诺贝尔奖可能要被要求退回也没准?嘿嘿!

 

关于第二件大事,象二傻这样在寺院外看门扫地的,倒也允许评论几句。

 

所谓【标准模型】到底啥意思?所谓【HIGGS】到底啥东东?

 

简单地说,【标准模型】本质上是关于世界上所有物质的构成的一种【唯象&唯物】模型。(与之相对应的是类似古希腊的【土、气、火、水】理论和中国的【阴阳】和【金木水火土】等【形而上学】理论)

 

人类对世界上的物质形态多样性一直很迷惑!通过金属冶炼和炼金术探索(化学反应),人们却又隐隐约约觉得在物质的多样性后面,似乎隐藏着一些共性!而对这些共性的探索,大致分化出两种思路:

 

一种是【还原论】:认为物质的表观复杂性,来源于其结构的复杂性,而组成各种复杂结构的一定是有下一层更基本的元素!而这些元素应该是不太复杂的。(这便是所谓【唯象&唯物】的所谓科学理论。)

 

另一种则是【关系论】:认为物质(甚至包括事物)的表观复杂性,来源于其关系的复杂性,而组成各种复杂关系的一定是有一些基本的关系的不同组合而形成!而这些基本的关系应该是不太复杂的。(这便是所谓【形而上学】如《易经》诸如此类的理论)

 

这两种思路,从古到今,都一直有人在研究。。。

二傻不知道最终哪个方向是赢家!

到目前为止,唯象&唯物的还原论,在科学上占了绝对上风。。。只因为其成就斐然!

下面将是对【科学的唯物&唯象的还原论】非常简要的历史回顾。

即便是简要的“近代百年史”回顾,却也有几条独立并行的线索,需要话分三头说。

 

【话分三头说之第一头】

大约2500年前,【德谟克利特】就提出了【原子论】,认为所有物质都是由一种看不见、摸不着而且不可分的【原子】构成。。。后来,19世纪初【化学】的发展,【道尔顿】的新原子论和【门捷列夫】的元素周期表,一直到目前都是我们化学工业的基础。。。

 

然后,对原子(元素)这个所谓不可分层次的突破线索,突然就奇迹般偶然出现了:

1896年,【贝克勒尔】发现了【放射性】!

1897年,【汤姆逊】发现了【电子】!

 

这些新的观测事实说明,所谓物质最基本构成的【原子】,并不是不可分的!

于是,大家很想知道【电子】这个东东在【原子】中到底是如何存在的?

 

1911年,【卢瑟福】巧妙的【α粒子散射实验】,发现了原子的基本结构:原来【原子】中心有个质量很大而尺寸很小的【原子核】,电子在其外面的广阔空间里转悠呢。。。(如果当时没有几乎是同时发现的【放射性】,即高能【α粒子】这个大自然提供的天然探索工具,那么原子结构的发现可能要推迟许多年)。

 

1918年,【卢瑟福】用【α粒子】轰击氮原子,发现可以打出【氢原子核】,却没有更小的东东了!这就是所谓【质子】。然后为了解释实验中的动量能量电荷守恒问题,他又预言了一种不带电但质量和质子一样大的【中子】,而【原子核】就是由【质子】和【中子】构成的!。。。这个不带电而且容易衰变因而很难被探测到的【中子】,后来,被【查德威克】在1932年发现了!

 

【卢瑟福】的成功,特别是不带电【中子】的发现(由于不带电,没有库仑力,【中子】可以轻易打入原子核,引发裂变),激发了人们疯狂的【原子核】轰击实验!于是加速器开始建造,从1930年第一台回旋加速器建成开始,到1995年美国拒绝为超级超导对撞机SSC继续投资,再到目前欧洲的大型强子对撞机LHC的高调运行,大多数物理学家都变成了巨型加速器工厂的设计工程师和数据分析员。。。(希望俺师兄不要生气哦?

 

欧洲大型强子对撞机LHC局部(ATLAS)

 

【话分三头说之第二头】

在有一拨人拼命轰击原子核想知道里面到底还有啥东东的时候,另一拨人却开始了精细研究 --- 想知道电子在原子核周围的具体分布和运动行为到底是怎样的?有层次吗?象太阳系吗?云云云云。。。这个问题从【玻尔】开始,经过无数天才的共同努力,终于在1920年代末期成就了【量子力学】理论! 其中的代表人物包括:普朗克、德布罗意、泡利、玻恩、海森堡、薛定谔、狄拉克。。。(由于此部分内容过于丰富,而且大家都略知一二,二傻拟以后另文细谈

 

【话分三头说之第三头】

老爱!大家把老爱忘了吗?20世纪初,正当科学的主流在轰轰烈烈地探索物质基本构成和结构的同时,一个大脑袋上长着一头乱发的专利局年轻职员,却在偷偷研究物质存在于其中的【时间与空间】的性质!。。。唉?他竟然成了!【爱因斯坦】的【狭义相对论】,让无数英雄尽折腰!(由于此部分内容过于丰富,而且大家都略知一二,二傻拟以后另文细谈

 

世界牛人合影的照片

 

前面,二傻【话说三头】,希望大家没有被弄糊涂:

(1)   第一头:物质的基本构成和结构;

(2)   第二头:物质基本构成(基本粒子)的运动规律;

(3)   第三头:对物质所“存在于其中”的时间、空间和质量等“背景”内涵的理解。(由于相对论将质量与时空弯曲视为一个东东,原来作为粒子内秉性质的质量,好像也可以当作“背景“的一部分???

 

20世纪初期的新思想、新发现大爆炸时期,是个人就能发现点重要的东东,如大民科【德布罗意】等。。。但是,唯有通晓三头的天才,才能做出些留名几十年的东东!其中一个最主要的人物就是【狄拉克】!他花费了很多心血,试图将量子力学与狭义相对论统一起来。结果他不仅从数学上解释了泡利所说的粒子【自旋】假说的必要性,而且预言了【反电子】的存在!这个预言的【反电子】很快就在1931年被发现了。(现在我们相信,所有构成物质的粒子(费米子),都是有其反粒子的)

 

同样在1931年,泡利开始研究另外一种放射性【β衰变】,实验发现该过程中的系统的动量、能量和角动量不能同时守恒!为了维持物理学最重要的基石【守恒律】,泡利设想:如果在【β衰变】中有一种未知粒子,它没质量、不带电,却带有能量和角动量二傻注:真是胆大包天!简直与民科无异!),那么三个【守恒律】就都能同时满足了。这个东东,就是著名的【中微子】,其实人们直到1960年代才找到其存在的证据!

 

然后,在1934年,【汤川秀树】为了解释将众多质子和中子紧密结合在小小的原子核中的那种神秘而强大的力量(因为它必须能克服质子之间的库仑排斥力),借助量子电磁场理论中【电磁相互作用是交换虚光子】的图像,他假设了一种能传递强大核力的【介子】概念。。。

 

然后第二次世界大战爆发了!

前面人类已经掌握的关于原子和原子核的知识,却已经足够用来制造原子弹了!

 

二战结束后,人们对原子核结构的强烈兴趣继续发酵。由于预言中传递核力的【介子】的质量很大,而当时的加速器能量太小,不足以发现它。于是,人们开始求助于天然实验室【宇宙射线】,因为人们早知道宇宙射线中存在大量能量极高的粒子,而能够显示宇宙射线粒子运动轨迹的【云雾室】成为当时最重要的研究设备。

 

人类历史上巨大的发现往往是【涌现】出来的!不知道这在【科学学】的研究中是否得到过一些令人信服的说法?除了1920年代量子力学爆发过这种现象,在1947年,这种惊人的涌现再次出现了!(二傻注:希望与罗克韦尔事件无关哦?

 

首先,人们终于从宇宙射线中找到了汤川秀树在1934年预言的【π介子】存在的证据!

而且,人们还在宇宙射线中发现了数量更多的所谓【μ子】以及质量巨大的【τ子】,它们除了质量更大而且会衰变,其它性质与【电子】一模一样!

物理学家们晕菜了:大自然为何需要不同类型的“电子”呢?


更稀奇的是,通过分析云室中那些奇特的
V型轨迹和K型轨迹,人们还发现宇宙射线中也存在大量与质子、中子性质相近的所谓【奇异子】!

物理学家们更晕菜了:大自然为何需要不同类型的“质子或中子”呢?

 

在此之前,人们相信自己对宇宙万物的构成已经很清楚:万物皆由【质子】【中子】【电子】以及它们的反粒子构成,最多再包括一个与【β衰变】有关的怪异的【中微子】(泡利在1931年猜测的,直到1960年才被发现其存在的证据)。

 

现在突然发现在宇宙射线中存在这么多莫名其妙的新粒子,使得人们开始怀疑原先以为的构成万物的所谓基本粒子【质子】【中子】【电子】其实不是基本的,或许它们本身也是由其它更为基本的基本粒子复合而成的?

 

在此大背景下,盖曼(M. Gell-Mann)首先提出:也许,所有的核物质(当时只有【质子】【中子】、汤川秀树的【介子】和新发现的所谓【奇异子】)都是由更底层的三种基本粒子构成的,他把它们叫做【夸克】,分别是【上夸克】【下夸克】【奇异夸克】(和它们的反物质对应)。质子、中子由三个夸克构成,而介子由两个夸克构成,而各种新发现的奇异子也都是这些夸克的不同组合。(中国当时也有物理学家提出【层子】模型,也是类似于【夸克】这样的底层模型建构尝试,后来由于多种原因,无疾而终。

 

盖曼的夸克模型,并非一开始就得到大家的一致认同。但是,盖曼在1964年预言了一种由三个【奇异夸克】构成的粒子,后来被称作【Ω子】,真的被发现了!

至此,夸克模型得到科学界的广泛认可!(恰如门捷列夫的元素周期表,直到其中空缺的3个元素镓、鍺、鈧在20世纪初被发现之后,才得到科学界的认可一样。)

 

于是,构成宇宙万物的“砖块”又一下子变得简单明了了:

万物都是由【夸克】家族和【轻子】家族这些不同的“砖块”构成的。

以前所知道的【质子】【中子】【介子】以及乱七八糟的【奇异子】等,都只是【夸克】的不同组合,通称为【强子】

而【电子】【μ子】τ子】以及它们各自对应的【中微子】是独立于夸克家族的,被称为【轻子】家族。

 

仅仅知道构成世界万物的各种不同基本“砖块”显然是不够的!因为我们还必须了解这些“砖块”之间的相互作用(力)规律。而人类对这两部分的探索从来就是纠缠在一起共同发展的。

 

欲知后事如何,请听下回分解!

 。。。

【补遗】:回头看看,觉得对【自旋】的发现漏了一段比较重要的历史:

在量子力学创立的过程中,对原子光谱的实验是其理论最重要的检验证据。比如氢原子光谱。
后来,实验发现,在磁场中原子光谱有些奇怪的分叉。。。
1925年,荷兰莱顿大学的两个大学毕业生【古德斯米特】和【乌伦贝克】提出:

如果假设所有的电子都有一个角动量(自旋惯量),则磁场中的这种分叉就可以得到完美的解释。

泡利一开始极力反对这种“无稽之谈”!
后来,却很快成了坚定的的支持者!而且大大发展了那两个年轻学生的思想。
在研究氦原子(双电子系统)的过程中,他还提出了【泡利不相容原理】,并用其完美解释了元素周期表的规律性。
结果,1945年,泡利因此得了诺奖。
而那两个年轻学生没有得奖。。。(貌似有些不公正哦?嘿嘿!)

 

上帝粒子HIGGS的前生今世(2

 

借上帝粒子HIGGS的东风,本系列关于【粒子物理近代百年史】的科普博文开篇就得到科学网隆重推荐,并得到广大物理学爱好者的热情褒奖,二傻喜洋洋!

首先谢谢大家捧场!应大家要求,二傻就继续了啊。。。

对于新来的没看过第一篇的朋友,二傻强烈建议最好先去看完第一篇再回来哦?

 

 

话说上回,在【唯物 & 唯象的还原论】这种思想的指导下,人类对世间缤纷复杂万物后面【简单 & 美】的信念,经过了如下几个认识阶段:


(1)远古时代的【原子】论(德谟克利特)--- 万物都由一种不可分的原子(ATOM)构成,所谓ATOM,其原意就是“不可分”的意思。


(2)19世纪初的近代【原子】论(道尔顿)--- 人类长期的化学探索,发现构成各种物质(分子)的原子其实远不止一种!随着时间的推移,人类目前已经发现的元素竟然有120多种!(REF:门捷列夫的元素周期表)


(3)哎?世界上竟然有这么多种“原子”啊?正当人们为物质世界的基础重新变得复杂、从而对其最初的哲学信念(即:【简单 & 美】应该是自然的一个基本属性)产生一些怀疑的时候,在20世纪初,人们及时发现了【电子】【质子】和【中子】!而元素周期表中所有一百多种复杂而不同的【原子】(元素),其实都是由这三种【基本粒子】构成的!(泡利在此基础上,加上他的【泡利不相容原理】,对元素周期表做出了完美的解释,这是他获得1945年诺贝尔奖的主要原因)。。。人们由此重拾对上帝或自然界【简单 & 美】的坚定信念!


(4)如上一篇所述,这样由【电子】【质子】和【中子】构成的“简单”世界并没有持续太长时间。人们在宇宙射线以及高能加速器中,又陆陆续续发现了各种太多新奇的粒子。。。出于对【简单 & 美】这种已经被历史“证明”是相当成功的信念,人们进一步的探索发现,【质子】【中子】以及其它许多新发现的粒子并不“基本”,而是由更底层的所谓【夸克】复合而成的。

 

物质结构与构成的简化示意图


目前,我们相信,构成宇宙万物的基本砖块如下:

万物都是由【夸克】家族和【轻子】家族这些不同的砖块构成的。

以前所知道的【质子】【中子】【介子】以及乱七八糟的【奇异子】等,都只是【夸克】的不同组合,通称为【强子】。

而【电子】【μ子】【τ子】以及它们各自对应的【中微子】是独立于夸克家族的,被称为【轻子】家族。


 


标准模型中的基本粒子家谱

 

二傻在此最好将上图解释一下,否则大家对一大推“子”容易发晕。

 

(1)   构成万物的基本“砖块”,是左边的所谓【费米子】家族,而费米子家族包括【夸克】家族和【轻子】家族。不同【夸克】可以复合成不同的【强子】(如:【质子】【中子】【介子】【奇异子】等)。物质的基本“砖块”,即所谓【费米子】,是自旋为半整数的基本粒子!这样才能受到【泡利不相容原理】约束,这些“砖块”才不会挤在一起,我们的物质世界才不会垮塌”!

 

(2)    右边那四个,是将这些“砖块”粘合在一起(能够传递各种相互作用“力”)的那些东东,叫做【玻色子】。它们的自旋是整数的、不受【泡利不相容原理】约束,所以能够发生【玻色-爱因斯坦凝聚】:即在一个空间点上允许存在无数多个【玻色子】。。。所以,将“砖块”粘合在一起的“力”,原则上允许无穷大!我们这个世界才不会散架

关于这几个【玻色子】都是些啥东东,请大家耐心往下看便是。。。

 

(3)    而最底层的就是那个著名的【HIGGS】。。。

大家先别急!这部分将在第(3)集再细讲哦?

 

大家千万不要以为人类发现这些东东,就象一层层打开“俄罗斯套娃”那样简单直接哦?关于构成万物的基本“砖块”的任何理论,都必须同时考察它们之间的相互作用“力”以及这些相互作用“力”的规律。否则,这些理论根本无法解释这些“砖块”到底是如何互相勾结并“搭建”成我们所观察到的丰富多彩的宏观世界!

 

俄罗斯套娃

 

事实上,正如在物理学历史上所真切发生的那样,在人类所认识到的“基本粒子”表“相互作用力”表之间,始终存在着密切而且微妙的关系。。。

 

下面我们就顺着对于【力】这个概念,简单整理一下人类认识的历史轨迹:

 

【力】这个东东,其实是人们通过在日常生活中的各种【感性认识】而得到的一种【抽象概念】--- 举物,手臂需要用“力”;爬山,腿脚需要用“力”;人在地上有“重力”,而人在水中有“浮力”;两块兽皮摩擦会产生“电力”,而天然磁石之间又有“磁力”。。。。。。至于这些“力”到底是啥?它们之间的关系如何?人们其实并不清楚!(希望科学网上至少没人会把“魅力”也当作一种“力”吧?哈哈!

 

人类对【力】第一次有了一种科学的系统的理论认识的,应该算是【牛顿】的万有引力!--- 凡是带有【质量】的东东,它们之间都存在一种【引力】,其相互作用规律就是牛顿的万有引力定律!牛顿的发现,确确实实让人们感到自己窥视到了一点点【上帝(自然)之美】!

 

牛顿在自己家构造了一个太阳系模型,十分精致!

有朋友到访,看到此模型,大为惊叹:“呀!如此精妙的模型,谁造的?”

牛顿曰:“天然的!”

朋友不信:“如此美妙的东东,怎可能是天然的?”

牛顿又曰:“那,比这更精妙万倍的真实的太阳系,为啥就是天然的呢?”

 

人类对【力】第二次重要的飞跃性认识,应该是各种【化学力】的发现!

如前述,人类在日常生活中,早就“感觉”到了各种“力”:除了能远距离感受到的重力(万有引力)之外,还有许多近距离的诸如浮力、摩擦力、空气阻力、将各种物质黏合在一起的“粘合力”、用手推物体的“体力”、煮水时出现的“蒸汽压力”,等等等等。。。

在【道尔顿】新原子(分子)论出现之后,人们渐渐认识到这些乱七八糟的各种“力”,其实都是组成物质的各种中性【分子】之间所存在的一种【短程力】的后果,这种短程力被称为【范德瓦尔斯力】。而将不同【原子】粘合成【分子】的,则是各种各样复杂的短程【化学键(力)】。

 

人类对【力】第三次最重要的飞跃性认识,应该归功于【麦克斯韦】!

如前述,远古的人类就知道两块兽皮摩擦会产生“电力”,而天然磁石之间又有“磁力”,还有天上老会出现吓人的“雷电力”。。。

经过无数天才的努力,人类终于在【麦克斯韦】这里达到了认识的巅峰!

至此,人类认识到:【电力】和【磁力】其实是同一种力【电磁力(相互作用)】的不同表现,甚至【光】都是一种【电磁波】!(这段科学史极其精彩,它对现代工业的影响、包括对20世纪相对论、量子力学以及规范场理论的理论贡献,都完全需要另文专著! 二傻窃以为:如果中微子“超光速”被证实,人类很可能要回到麦克斯韦理论,重新开始漫长而艰难的探索旅程。。。那时候,估计【尼古拉-特斯拉】的一些封存理论可以公诸于世了。。。嘿嘿!

 

人类对【力】第四次重要的认识,就是在19世纪末20世纪初【电子】和【原子结构】被发现之后。由于带正电的【原子核】与带等量负电荷的【电子】们在原子中的“整体电中性”,当两个原子相距很远的时候,它们之间是没有【电磁相互作用】的;但是,由于正电荷与负电荷在原子内部分布的不均匀(原子核集中在中心狭小区域,而多个电子在外围广阔空间游荡),当两个原子相距很近的时候,这种不均匀的电荷分布就会产生一些“剩余”的电磁力外泄 --- 这便是所有所谓【化学键】和【范德瓦尔斯力】的起源!

 

至此,人类终于将无数乱七八糟林林总总的“力”,归结为两种基本的相互作用:

【1】   万有引力相互作用

【2】   电磁相互作用

其它所有的“力”,都是这两种相互作用的不同层次的表现而已!真伟大!

 

MY GOD IT’S REALLY PERFECT

 

大家先别急着叫好!在继续往下讲之前,二傻觉得必须暂停一下。

也许应该先把几个重要的“物理图像”澄清清楚为好,否则后面还是容易犯迷糊?

 

首先,【力】必须是有“力源”的!对吧?

【万有引力】的“力源”就是【质量】;【电磁力】的“力源”就是【电荷】。

 

其次,【力】的传递是需要“媒介”的,对吧?

哎?那个谁说了:万有引力就不需要媒介,是一种【超距作用】!

哎?哪个谁又说了:俺知道所有力的媒介都是【以太】!

 

哈哈!这些大概是【牛顿】和【笛卡尔】说的吧?

都啥时候的事了!

还记得我们讲到目前这个阶段,已经是啥年代了吗?

已经是20世纪初了嘢!爱因斯坦的相对论已经出来了嘢!哈哈!

 

长话短说,由于老爱的狭义相对论说了:“超光速不允许存在!”

关于【力】的传递是需要“媒介”的这个“假说”,反正成为了现代物理学的基本共识!只是我们比以前的【以太说】更进步的地方在于:

不同的“力”需要不同的“媒介”来传递,我们把它们称为【场】

--- 传递万有引力的叫【引力场】,

--- 传递电磁力的叫【电磁场】

OK

 

MY GOD IT’S REALLY WONDERFUL

 

大家先别急着欢呼!还有个重要概念没讲呢。

还记得我们讲到目前这个阶段,已经是啥年代了吗?

已经是20世纪初了嘢!【量子力学】已经出来了嘢!哈哈!

 

在量子力学创建初期,人们就发现电磁场必须是【量子化】的!就是说原来连续的【电磁波】必须被看成一个个量子化的【光子】才行!否则无法用伟大的【麦克斯韦方程组】来完美解释【黑体辐射】的功率谱,也无法解释【光电效应】(爱因斯坦没有因为【相对论】得诺奖,却因为【光电效应】得了诺奖。。。这部分内容亦是极为精彩,需要另文详细解说

 

另外,大家还记得【狄拉克】吗?

就是试图把【相对论】和【量子力学】结合在一起并预言了【反电子】的那个?

从狄拉克开始,又是一大堆天才(包括FeynmanSchwinger、朝永振一郎等)的共同努力,终于成功地将【(狭义)相对论】、【量子论】和【麦克斯韦的电磁场理论】结合在一起了,结果就是人类目前最最伟大的理论之一:【量子电动力学】!(简称QED)。。。其对于【精细结构常数】的理论计算与实验测量之间的误差,据说目前达到了吓人的小数点之后十几位!!!

 

哎?哪个谁说了:二傻是不是跑题了啊?什么乱七八糟的!

哈哈!其实二傻正要讲一个重要概念。那就是,

在【量子电动力学】获得巨大成功之后,物理学家们渐渐建立起了这么一个基本图像:

所有传递【相互作用力】的【场】,其实都是有其相应的【场量子】在实施传递作用的!

对于【电磁场】而言,这个【场量子】就是【光子】!

对于【引力场】而言,它就是【引力子】。。。这是后话,麻烦较多,暂且按下不表

 

好了!可以继续了。。。

在继续之前,大家千万记住以下几个概念或图像哦:

1)【力】的出现是有源的,其源为【荷】(电荷、质量)

2)【力】的传递是有媒的,其媒为【场】(电磁场、引力场)

3)【场】的作用是量子化的,其作用传递子为【场量子】(光子、引力子)

 

MY GOD IT’S REALLY INCREDIBLE

 

大家是否还记得,在这之后,人类又预言且发现了啥新东东?

---【β衰变】中的【中微子】!

--- 宇宙射线中的各种【π介子】【μ子】【τ子】和【奇异子】!

这些新东东,显然无法用以前人类所知道的【万有引力】或【电磁相互作用】得到合理的解释!

 

先不谈【β衰变】。。。

大家还记得【盖-曼】对于宇宙射线中各种新发现的粒子提出的【夸克】假说吧?就是说:原先以为最基本的【质子】【中子】(包括【介子】和【奇异子】们)其实并不基本!它们都是由更基本的底层粒子【夸克】们复合而成的!为了解释实验观测到的种种现象,人们猜测应该有如下六种“味道”的【夸克】:

 

上夸克u、下夸克d、奇异夸克s(盖-曼最初预言的)

&

糜夸克c、底夸克b、顶夸克t(后来补充的)

 

比如:

【质子】就是由三个【夸克】(uud)复合而成的;

【中子】也是由三个【夸克】(ddu)复合而成的。

 

这些夸克的名字不重要!其实就是乱起的!

(比如:【Charm】夸克,中国人就有叫【糜夸克】或【魅夸克】或【灿夸克】或【璨夸克】或【婵夸克】的。。。嘿嘿!)

重要的是它们的性质!

而且千万别忘了,本篇的主题是讲【相互作用力】的哦?

让我们直接进入本节的主题:

【质子】是带1个电荷的,对吧?【中子】是电中性的,对吧?

如果它们都是由三个不同夸克复合而成,那么,

【夸克】应该是带1/32/3电荷(或正或负),对吧?

 

好!问题出来了!

由于电荷之间存在“同性相吸、异性相斥”的【电磁力】,那些同样的【夸克】是如何被“粘合”在小小的【质子(uud)】或【中子(ddu)】里面的呢???

 

一定存在一种比【电磁力】更强的【力】,才能将【夸克】们粘合起来!

这种新的【力】,就叫【强力】!(强相互作用)

 

现在让我们回过头再复习一下刚才所说的关于【力】的几大通用要素:

1)【力】的出现是有源的,其源为【荷】(如:电荷)

2)【力】的传递是有媒的,其媒为【场】(如:电磁场)

3)【场】的形式是量子化的,其作用传递子为【场量子】(如:光子)

 

那么,【强力】的“源”、“媒”和“子”都是啥呢?

我们称之为:

1)【强力】的出现是有源的,其源为【色荷】

2)【强力】的传递是有媒的,其媒为【强场】(亦称【胶子场】)

3)【强场】的形式是量子化的,其作用传递子为【胶子】

 

由此,物理学家们模仿【量子电动力学QED】建立起了【量子色动力学QCD】。

只是QCD要比QED复杂很多!

比如:

【电荷】只有两种:或正或负;

而【色荷】却要求有六种:红、绿、蓝(模仿三原色起的名字),和它们的反色。

【光子】只有一种;

而【胶子】却要求有8种!

 

 

哇塞!真复杂!

可惜即使到现在,我们也还没有谈到【β衰变】吧?

这便要涉及到另外一种【力】--- 【弱力】(弱相互作用)。。。

 

1896年,贝克勒(A. H. Becquerel)发现铀的放射性;1897年,卢瑟福(E. Rutherford)和约瑟夫·汤姆孙(J. J. Thomson)通过在磁场中研究铀的放射线偏转,发现铀的放射线有带正电,带负电和不带电三种,分别被称为α射线,β射线和γ射线,相应的发出β射线衰变过程也就被命名为【β衰变】。

 

经过许多人的努力,包括在1930年预言了【中微子】的泡利、在1934年首先建立了【中子β衰变理论】的费米、以及1958年费曼和盖尔曼与马尔萨克和苏达珊两组理论家几乎同时提出的“VA”理论,改进了费米理论。。。。。。

 

简言之,在【β衰变】过程中,实际上发生的事情是原子核中的一个【中子】变成了【质子】,同时放出【电子】和【中微子】。

 

在当时的那个年代,这意味着什么?

这意味着存在一种新的【力】,它完全不同于已知的【万有引力】和【电磁力】。

它能在原子核内,将【中子】变成【质子】!

这种新的短程【力】,人们称之为【弱力】(弱相互作用)。

 

在【强子】的【夸克】模型建立起来后,人们对这种【弱力】的性质就更加清楚了:

由于【中子】是udd夸克的复合粒子,在β衰变发生时,中子(udd)内的一个下夸克d在释放一【W玻色子】后,随即衰变成一上夸克u,于是中子(udd)就变成了质子(uud)。随后W玻色子衰变成一个电子及一个中微子。

 

于是乎,按照前述关于力的通用规则,对于这种能引起【夸克】改变其“种类”(学名叫【味】)的【弱相互作用(力)】:

其“源”(弱荷)乃称做“味”(就是夸克的6个种类:u,d,s,c,b,t);

其“场”自然就叫“弱相互作用场”;

其“子”自然就叫“弱相互作用玻色子”。。。

OK

 

对【弱相互作用】的后续研究,引发了上世纪后半页真正伟大的东东。。。(再往下就要涉及诸多真经了!所谓的上帝粒子HIGGS和伟大的规范场理论都要出场了。。。二傻准备在本系列的第3集再深入讨论之

 

总结一下,到目前为止,人类以为:

结论1】世界上所有的物质,都是由【费米子】“砖块”复合而成的,这些“砖块”包括【夸克】家族和【轻子】家族。

结论2】将各种“砖块”粘合在一起的,是各种【玻色子】,这些【玻色子】其实是各种相互作用力场的量子化作用“传递子”。

结论3】世界上的所有相互作用(力场),无论是宏观的还是微观的,都可以归结为四种基本相互作用(我们把其“源”、“场”和“子”一并写出)如下:

 

l      万有引力(质量、引力场、引力子)

l      电磁相互作用(电荷、电磁场、光子)

l      弱相互作用(味荷、弱矢量场、弱矢量玻色子)

l      强相互作用(色荷、胶子场、胶子)

 

大家晕菜了吧?这么复杂?

数数我们现在有多少种“基本粒子”(还不包括万有引力):

(1)    作为“砖块”的【费米子】:有6种【味道】的夸克,每种味道的夸克又可以有三种不同【颜色】,这就有18种夸克!再加上6种轻子,我们共有24种“砖块”!

(2)    作为“粘合剂”的【玻色子】:1种光子、3种弱玻色子、8种胶子,我们共有12种“粘合剂”!

 

哎?哥们!总共有36种“基本粒子”嘢?!

是不是有点太多了啊?!

怎么离最初那个所谓的上帝之简单&越来越远了呢?!

哈哈!看来是YANG-MILLS规范场理论隆重登场的时候了。。。



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