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组成万物的最小构造是什么?(下)

2018-09-12  月下飘香

书接上文。《组成万物的最小构造是什么?》(中)订阅号里回复:粒子中

人类从20世纪30年代开始建造粒子加速器,一直到1960年代,总共发现的粒子总数多达200多种。「粒子动物园」里的这些200多种粒子,难道都是基本粒子?


当然不是,这其中大部分来自于宇宙射线,很多都是跟强相互作用(强核力)有关的共振粒子,寿命超级短,只能存在10^-23秒,要比我们常说的『刹那』短得多(10^-23秒<1/75秒)。所以,你用不着头疼!

相反,发现这些粒子,大大促进了粒子物理和统一理论的研究与构建。


这当中,有一个最重要的粒子发现——这就是夸克。

从1950年代开始,实验物理学家们利用高能粒子加速器,把质子、中子击碎,蹦出一大堆陌生的新粒子,在气泡室影像中留下微小的气泡轨迹——难道这些小小的粒子就是人类要找的基本粒子?它们又有什么奇异特性?

揭开这个谜底的是,美国科学家默里·盖尔曼。从起名字到建模型。

1963年,当时正在读詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根守灵夜》的他,恰好看到一句「向马克老大叫三声夸克!」于是,就把这种新粒子命名为夸克(Quark),虽然这个单词并没有什么具体含义,但读起来朗朗上口,并带有点奇异、神秘的味道,同时又跟数字3有关——就这样,构成物质更基本的新粒子有了一个酷名字:夸克。

一年后的1964年,盖尔曼建立了经典的「夸克模型」。

恰巧就在同一年,美国另一位物理学家乔治·茨威格,同样独立提出了类似的理论,只是不叫夸克,而是叫艾斯(Aces,扑克牌中的A)。

▲夸克共有6种,也叫6味,其实跟味道没有任何关系,跟颜色也没有关系,因为远远小于可见光。

从第一代延伸到第三代,并且发现它们参与宇宙间的4种基本力——引力、电磁力、强核力(强相互作用)、弱核力(弱相互作用)。

不久之后,物理学家又发现了一些基本粒子,比如把夸克胶合在一起构成质子的胶子;跟6种夸克相反的反夸克;传递除了引力外3种基本力的规范玻色子……

于是,绝顶聪明的物理学家们,开始拼合出粒子物理世界的标准模型。

这意味着物理世界最基本的构造拼图,不仅被拼接呈现出来,而且结构精巧,组合巧妙!

▲这就是粒子物理的标准模型,一套描述强核力、弱核力、电磁力3种基本力,以及组成所有物质的基本粒子的理论模型。

下面我们来简要解读一下:

从自旋的角度,所有的基本粒子分为两大类:费米子、玻色子。自旋为半整数的粒子称为费米子;自旋为整数的粒子为玻色子。

为什么要特别强调自旋呢?因为自旋是粒子的主要属性,自旋不同,粒子能量也不同,比如费米子符合费米-狄拉克统计规律,玻色子符合玻色-爱因斯坦统计规律。

从结构的角度,所有的微观粒子又可以分为两大类:基本粒子和复合粒子。

目前基本粒子总数量有61种(也有说62种的,包括引力子),但最主要的只有4×4=16种。

标准模型中共有12种费米子:6种夸克、6种轻子。

夸克共有6种(也叫6味):上、下、粲(读作càn,也叫魅夸克)、奇、底、顶。主要参与强核力(强相互作用)。

轻子也有6种(也叫6味),跟夸克相反,并不参与强核力(强相互作用)。电子,就是宇宙间最常见最稳定的轻子,还有中微子、陶轻子、缈轻子等。

标准模型中,共有4种玻色子(也叫规范玻色子),包括光子、胶子、Z玻色子、W玻色子。都属于宇宙间4种基本力的载体粒子——就像送包裹的快递小哥、传播花粉的蜜蜂一样。

光子,大家最熟悉了,就是跟电子眉来眼去、传递电磁力的粒子;胶子,就是把夸克胶合在一起构成质子的粒子;Z和W玻色子,就是传递弱核力、让原子衰变的粒子。

标准模型中,还有1种特别版的玻色子——希格斯玻色子。

很多人听说过所谓的「上帝粒子」,对,就是指的它。之所以敢这么叫,主要是因为在标准模型预言的61种基本粒子中,它是最后一种被实验证实的粒子。

2013年3月14日,欧洲核子研究中心有意选在爱因斯坦诞辰日宣布发现的希格斯玻色子。

这就表示:物理世界最小最基本的构造拼图——拼接完成,标准模型终告完成!

事实上,真的大功告成了吗?微观物理世界,真的再没啥可以探索了吗?

当然不是!

标准模型中并不包括宇宙间4种基本力之一——引力,以及假想中的引力子(目前为止尚未找到任何存在的证据)。

标准模型,距离物理学界最完美的追求——万有理论,还相差甚远。

标准模型,更没包括占整个宇宙96%的暗能量、暗物质——这些宇宙神秘构成的基本构造。因为我们甚至连它们是什么,都还没搞清楚!

不过这就是科学——科学的本质,就像拉丁文的词根一样——「弄清楚,搞明白!」

下面让我们再来梳理一下——构成人类可观测物质世界的最小构造图景,是不是看起来也并不那么复杂了?

(需要注意的是,费米子、玻色子是对夸克、轻子等基本粒子的另外一种叫法,并不存在夸克、轻子再细分为费米子、玻色子的逻辑关系。)

最后,进入问答环节——

①为什么科学家这么肯定,夸克就是我们要找的基本粒子?

简单来说,这是因为现有技术无法再继续细分下去了。

我们知道,可见光的波长要比原子尺度大得多,所以不可能用通常方法的去「看见」原子的内部结构,只能利用高能粒子加速器去轰开微观粒子,通过轨迹、性状等判断是否还有更小更新的粒子。

量子力学告诉我们,所有粒子都是波,粒子的能量越高,对应的波长就越短,可能轰开的粒子就越小。所以,要想细分更小的粒子,就得拥有更加强大的高能加速器。

目前全世界最大的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机,最高能量是13TeV(13万亿电子伏特,一个电子从一个伏特的电场所得到的能量,就是一个电子伏特)。

如图所示,加速器最高能量所对应的微观尺度就是10^-18米,这正是夸克、电子以及其他基本粒子的尺度(相当于一根头发丝直径的1000万亿分之一),这就是人类目前的尺度极限。

要想再往下细分——轰开夸克,就得大幅提高加速器的能级,这对于现阶段人类科技水平来说,是太可能的。因为这已经是最高水平啦。

所以更严格上说,夸克作为基本粒子,是现阶段的基本粒子,是被人为定义的物质构成的最小单位。

②有人可能会追问,弦论里的「弦」不是更小更细吗?

首先我要说的是,有关弦论目前都还是假说,未被任何实证的理论。也许未来某一天会被证明,但那是未来的事儿,不是现在科学殿堂的藏品。

不过话说回来,这些假说的确都是正经八百的大科学家在研究和思考的。既然说到这儿了,我们也不妨简单瞥一眼——

弦论认为,所有粒子都是由弦构成的,微小、弦状的振动细丝构成了微观世界,弦也是整个宏观物质世界的最小构造。

那么这些弦到底有多小呢?弦长有1.616252×10^-35米,这个尺度在物理学上被称为普朗克长度,是以量子力学开山始祖普朗克命名的。

为什么科学家要设定这个最小尺度呢?因为这是目前人类科学体系的认知边界,也就是广义相对论适用的最小理论尺度,超过这个尺度广义相对论就不成立了。这就是说,普朗克长度是人为设定的最小长度。

那么,它到底有多小呢?

你可以想象一下,如果把一个原子放大到整个可观测宇宙那么大(直径930亿光年),经过等比例放大的普朗克长度(一根弦的长度),只有一棵树的那么高!

③为什么要花如此大的力气,刨根问底搞清楚物质的深层结构呢?

我认为还是《三体》作者刘慈欣先生说得最清楚最透彻,借用他的金句——

科技的全面发展取决于基础科学的发展,而基础科学的基础又在于对物质深层结构的探索,探索物质深层结构最有效的途径就是大型高能加速器。

打个比方,加速器是我们的算盘和计算器,只有通过它,才能发明电子计算机。

这就印证了人家欧洲科学界为什么敢为天下先——欧洲核子研究中心旗下的大型强子对撞机LHC,能够成为人类史上最复杂的科学实验设施,能够吸引来自85个国家、超过1万名科学家、工程师投入其中,LHC建在175米深、27公里长的隧道里,总投资75亿欧元。

所以人家才能硕果累累:被誉为【上帝粒子】的希格斯玻色子,今年3月破天荒同时发现5个新粒子,新近观测到的【天使粒子】马约拉纳费米子……

再看我们,目前还木有这种高精尖的科学利器,有的只是1984年建成的北京正负电子对撞机,虽然2004年鸟枪换炮了,但依然不是尖端武器!所以才有去年那出戏——王杨舌战加速器。

作为中科院高能物理研究所所长的王贻芳,不仅要极力游说高层,投建中国自己的大型加速器,而且,还要对付晚节不保的杨振宁,大肆反对中国建设大型加速器。

我不禁要问各位:难道95岁的杨老果真就是传说中的ETO?��

④在标准模型中,为什么要把基本粒子和4种基本力搅合到一起呢?

按照史蒂芬·霍金的解释:这是科学体系沿用古希腊认识宇宙的一种思维方法。

亚里士多德相信宇宙间的所有物质都是由『水、气、火、土、以太』组成的,这当中有两种力作用在这五种元素上——引力,让「土、水」往下沉;浮力,让「气、火、以太」往上升。所以,这种把宇宙规律分成物质和力的做法,一直沿用至今。

我认为更重要的原因其实是:探究物质深层结构是解开物理学、宇宙学终极命题的关键秘钥。

物理学家尤其是粒子物理学家研究的最大课题,就是最小尺度的粒子世界。宇宙学家研究的最大课题,就是最大尺度的整个宇宙。而大爆炸理论,让这两个最小&最大尺度的研究领域交汇到一起。

事实上,科学家们早已发现,宇宙早期模型就是一个超高能物理世界。要想揭开这个最大的宇宙秘密,必须有粒子物理、宇宙起源、量子力学的大融通直至大统一。

科学界已有共识:能量越高,粒子间距越小,越会融合,4种基本力也会逐步统一。

当能量达到10^12GeV(吉电子伏特)时,粒子间的距离就会小于10^-27米,电磁力和弱核力就会融合成一种力——弱电力;

如果能量增高到10^18GeV(吉电子伏特)时,粒子间的距离就会达到普朗克尺度,强核力和弱电力就会融合成一种力——大统一力;

如果能量增高到10^21GeV(吉电子伏特)时,连离子汤都不存在了,所有物质能量都融为一体,引力也会与大统一力最终融合成为一种力——超力!

这就是一条统一之路——宇宙间4种基本力的统一之路;

开启量子引力时代,广义相对论和量子力学最终相容的统一之路;

揭开宇宙起源奥秘,物质、能量、时间、空间,最终回溯到奇点的统一之路。

这就是人类梦寐以求、想要证实的统一之路。也是基础科学为什么如此看重探究物质深层结构的根本原因!

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