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告诉你一个真相:你所知道的粒子,其实都是场

 天选小丑 2017-03-04

有一天,七岁的小明找我聊天,他经常会问我各式各样的科学问题,通常我也能够应付他提出来的许多看似简单的基础问题。但这天,他若有所思后,开始发起讨人厌的连续式发问:

我很好奇,你、我以及所有人类是由什么构成的?

人类是由肌肉、骨头和器官构成的。

那么器官又是由什么构成的?

器官是由细胞构成的。

细胞是由什么构成的?

细胞是由细胞器构成的。

细胞器又是由什么构成的?

它们是由蛋白质构成的。

蛋白质又是由什么构成的?

是由氨基酸构成的哦。

那么氨基酸呢?

它们是由原子构成的。

原子又是由什么构成的?

原子是由质子、中子和电子构成的。

电子是由什么组成的呢?

电子是由电子场构成的。

那么电子场是由什么构成的?

……

这是我所能告诉小明的极限。但是,等等......

听到电子场我想有许多人都会好奇,难道电子不是最基本的粒子吗?怎么还有电子场?

的确,当科学家跟非科学专业的人讲解粒子物理学的时候,他们通常都会从分子、原子一直到说到无法再分割的基本粒子。这也是大多数人所熟知的。

△ 夸克是已知的基本粒子,但是科学家正在寻找它们是否由更小的粒子构成。(图片来源:Fermilab)

这是看待事物的一种方式,但不是最真实的。也许你还记得在2012年的时候,科学家找到了被称为上帝粒子的希格斯玻色子,即使你不是科学家,也会被当时的氛围所感染。但如果你要想能够真正的欣赏到希格斯玻色子的发现,那么你就需要知道的更多。

要想知道到底发生了什么,你就必须要放弃粒子的概念。

而是要把粒子想象成场。

△ 磁场。(图片来源:Windell Oskay)

场,你应该很熟悉了。当把两个磁铁慢慢靠近在一起的时候,即使它们没有碰到对方,也会感受到彼此的吸引力或排斥力——即两个磁场间的相互作用。同样地,当你向空中跳起来的时候,你会重新回到地面上。那是因为你生活在地球的引力场。

事实是,每一个你所知道的粒子,其实都是一个场。宇宙中充满了场,比如夸克场、电子场、中微子场、光子场和希格斯场等等,而我们所认为的粒子只是这些场的“激发态”(或者说是场的局域振动),就像海洋中的波。比如,一个电子只是电子场所激发出来的:

△ 粒子是场的激发态,或说场的局域振动。(图片来源:Fermilab)

虽然这跟你以前知道的很不一样,但以场的角度去看待这个世界,实际上使粒子物理学的一些混淆概念变得更清晰明朗。

举个例子,当一个放射性物质衰变的时候,我们通常把这想象成分离出不同的粒子。比如中子会衰变成质子、电子和反中微子。听起来好像是质子、电子和反中微子隐藏在中子里面,等待破茧而出,但并不是这样。可是,当中子衰变时,它们就出现了。

△ 自由中子的半衰期大约是611秒,衰变成质子、电子和反中微子。(图片来源:Scienceblogs.com)

如果我们从场的角度去思考,这些突然出现的新粒子就开始变得说得通了。举个更简单的例子,一个电子突然辐射出一个光子:

△ 电子辐射出光子。(图片来源:Fermilab)

这里,电子场的能量传递给了光子场,激发了光子场的局域振动,看起来就像是电子辐射出了新粒子,然后开始相互远离。

场的概念也帮助我们理解科学家是如何在大型强子对撞机(LHC)中制造出大质量粒子,比如希格斯玻色子。科学家在两束LHC将两束高能的质子束撞在一起,并研究它们的对撞结果。

△ 通过对撞质子束,会产生出大质量的希格斯玻色子。(图片来源:CERN/AP)

通常,这个过程被比喻成将两块手表使劲地撞在一起,通过被撞的四处飞散的所有手表零件来研究手表是怎么工作的。这其实是个很差的比喻,主要的原因是当你把粒子撞在一起的时候,实际跑出来的并不是原来粒子内部的粒子。真正发生的就好比是你将斯沃琪手表撞在一起,结果出来的是伯爵手表。

真正发生在LHC对撞的是场的激发态——高能的质子——在一起振动并将它们的能量转移到邻近的场,产生新的激发态,也就是我们所看到的新粒子,比如希格斯玻色子。

场也能够更好的解释希格斯机制。希格斯玻色子本身并不赋予其它基本粒子质量,真正赋予质量的是希格斯场与其它场之间的作用。希格斯玻色子或许是媒体的宠儿,但真正的明星却是希格斯场。

场的概念解释了宇宙更深层次和基本层面是如何运作的。而这背后的理论则被称为“量子场论”。大部分人可能更加熟悉的是量子力学和狭义相对论,这两个都是100年前左右提出的理论。但即使是在今天,当你第一次接触到的时候也会为它们的许多预言感到困惑。但真正精彩的其实是量子场论,它是量子力学和狭义相对论的结合。

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