04智慧结晶:粒子模型
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如果让你说出两位当代物理学家的名字,那么我猜答案肯定是:霍金和杨振宁。只要这两个名字一起出现,一定会引起谁强谁弱的口水战。那咱们就顺着这两位物理学家的足迹,跨过大型对撞机,看看量子力学是如何打下这片江山的,相对论为何能割据一方。 


\\量子电动力学VS电磁力


早期的量子力学主要围绕单个粒子的奇葩属性,比如自旋啊、轨道啊、等等……至于这堆奇葩理论究竟是通过什么规律联系在一起的,爱因斯坦也是一脸懵逼。虽然量子力学颠覆了人们的认知,但大伙还是守着最基本的底线:粒子终究还是实物吧,这玩意儿总不至于凭空冒出来吧!


谁知,出了个猛人,一脚踏破底线!这哥们儿有多猛呢?不但一把撮合了量子力学,还顺手捎上了狭义相对论(当然,不包括广义相对论),这就是“量子电动力学”,是“量子场论”的第一个分支,操场的场,理论的论。这里的关键词是场。


文科小盆友听到专业术语先别慌!这个“场”是什么东西呢?“场”算是物理字典中最高级的词汇了,以后若是遇到研究“场”的小朋友,为了不显得自己无知,你就赶紧膜拜吧!


这位突破底线的哥们儿就是狄拉克,把狭义相对论引入量子力学中,将薛定谔方程进化成狄拉克方程,打开了量子场论的大门。场的概念来自于电场磁场,如果把粒子比作水面上的波浪,那么水面就是场,水面平静的时候波浪就消失了,水面受到振动就会产生波浪。


各位收拾收拾思路,来感受一下当年狄拉克带来的冲击:场受激发就会产生实物粒子,场恢复基态实物粒子也就凭空消失了,一种粒子对应一种场,不同场之间的相互作用就是粒子的转化,同一种场的不同激发状态代表粒子的不同属性,而未激发的场不表现出任何物理效应,也就是我们所说的真空。


容我缓口气,这步子扯得真够大,量子力学又炸锅了!这套新颖的说法,不但把粒子的奇葩属性解释通了,还能一口气描述多粒子的相互关系,又顺带关联上了狭义相对论,算是把电磁力和带电粒子之间的猫腻全给整明白了,就问你服不服吧!


值得一提的是,狄拉克根据这个公式计算发现,当“场”受激发产生粒子时,会有一正一负,就好像波浪会有波峰波谷,于是就预言了反物质的存在。今天反物质早就不是什么稀罕东西了,物理学家已经能人工合成反物质,狄拉克的预言早已得到验证。


狄拉克的代表作是《量子力学原理》,没牛到一定程度,谁敢这么取名字,就冲这书名,一般人也只有仰望的份,狄拉克是物理学史上的第四尊大神!


\\宇称不守恒VS弱力


狄拉克带来的场论,对量子力学的冲击,不亚于量子力学对经典物理的冲击。大家回忆一下,量子力学可以说是彻底颠覆了当时的科学体系,没想到,才几年功夫,这种程度的冲击居然还能再来一次。那个时代物理学家,脑袋被这么剧烈地冲两次,啥馊主意都给冲出来了,不怕做不到,就怕想不到啊。


于是,老杨出现了,就是那个争议颇大的老杨。不过,咱们这里不讨论争议。


刚才狄拉克给“量子场论”打了个地基,建立了“量子电动力学”,拿下了四大基本力当中的电磁力,这个理论的本质,是用“场”的概念取代原先对单个粒子的描述。粒子并不是像芝麻那样分散在空间里的,而是像水面上的波浪,能产生也能消失。反正场就是这么个意思,也没法描述得更精准了,自个儿再领悟领悟吧。


只要有人挑头闹事,就不怕没人起哄,老杨觉得你们这样忒费劲,给你们一个标准姿势吧,于是提出了“杨-米尔斯理论”。


不过杨-米尔斯理论并没有引起重视,因为场论在解决弱力时直接被整崩溃了。崩溃的过程大概是这样,场论里面用于传递作用的规范玻色子(反正就是一种粒子吧)是不能有质量的,不然就破坏了对称性,但是呢,没有质量的规范玻色子不符合弱相互作用的已知理论。


产品销路不好,老杨只好亲自搞促销活动,这一出手差点又是一场腥风血雨。


量子场论的概念提出之后,大伙更加认为粒子都是镜像的,也就是对称的,你想想,凭空冒出一对粒子,那肯定是有正有负,相当于镜子里外都是对称的。这符合宏观世界观察到的大量对称现象(比如DNA的双螺旋结构),也符合中国古代哲学中阴阳平衡的概念,无论在哲学还是科学里,大伙都认为这种“完美对称”是自然的最基本规律。为了显得有学识一点,我们把这档子事叫做“宇称守恒”。


物理学的好景往往不长,有人从宇宙射线中发现了两种新介子,这俩哥们儿质量、寿命、电荷完全一样,几乎就是同一种粒子,那为啥还说是两种呢?因为它们的衰变方式不一样,衰变这个词可能有人不理解,可以理解为死亡方式不一样:第一种介子会衰变成2个π介子,第二种介子则衰变成3个π介子。也就是说,第一个死了之后会变成两个分身,第二个死了之后会变成三个分身。而在没死之前,这两种介子就是一模一样的。


再换个通俗说法,有一对双胞胎,长得一模一样,但他们生的孩子却长得不一样,那么这对双胞胎到底是不是同一个爹妈生的?为了不犯“宇称守恒”的忌讳,大伙纷纷觉得这不是一个爹妈生的,老杨一拍桌子:都瞎啊,明明就是一个爹妈生的,谁规定这世界要对称啊!


要知道,守恒和对称几乎是物理学的铁律,老杨这娄子捅得不可谓不深远。“宇称不守恒定律”是杨振宁和李政道共同提出,后来的实验验证由“东方居里夫人”之称的吴健雄完成,这三人全是美籍华人,老杨由此得了诺贝尔奖。


再后来,人们发现很多东西都是不对称的,比如,反K介子转换为K介子的速率要比K介子转变为反K介子的速率来得更快一些。进而一些科学家提出,可能正是由于不对称,才导致宇宙大爆炸生成的正物质比反物质略多,正反物质湮灭后,剩余的物质才形成了今天的宇宙。


不扯这没边没际的猜想了,回正题。衰变是弱力的范畴,宇称不守恒摸清了弱力的底细,这会儿再回头看老杨的杨-米尔斯理论就有点味道了,它本质上是一种场理论。这什么概念呢?前面狄拉克给场论开了个头,这边老杨给场论弄了套标准姿势,学名“规范场论”。


老杨不但亲手拿下弱力,又提供了一套标准姿势,这服务上哪儿去找啊!于是大伙一拥而上,电磁力和弱力就这么愉快地统一了,史称“电弱统一理论”。


咱们码一码大概的意思:4种“场”对应4种基本粒子,第一种负责传递电磁力,自身没有质量,剩下三种分别带正电、负电和中性不带电,它们负责传递弱作用力,自身有质量。用这套说法重新描述一下中子的衰变:首先中子场受激发,真空里出现一个中子;后来,中子场通过某种方式把激发能量传给了电子场、质子场和中微子场,把这些场激活了;于是,中子消失了,产生了电子、质子和中微子;这就是说,中子衰变成了电子、质子和中微子。再通俗一点,中子死了,变成了电子、质子和中微子。


电弱统一的代表人物是美国的格拉肖,有意思的是,格拉肖一直呼吁将基本粒子命名为“毛粒子”,纪念已故的毛主席,因为毛主席的哲学思想主张自然界有更深的统一。可惜,最终“夸克”这个名称击败了“毛粒子”,所以今天,几乎人人都听过夸克这个词,却少有人知道毛粒子。


回过头说,这一众人想凭借“电磁力和弱力的统一”在历史上封神显然是不可能了,不过诺贝尔奖真是拿到手软。


量子色动力学VS强力


电弱统一理论的成功,才让大家认识到老杨的标准姿势简直就是一把万能钥匙,那还等啥啊,接下来就该干“强力”了。


这档事的学名叫“量子色动力学”,由盖尔曼和弗里奇所创立,基本是沿着老杨的规范场论往下做的。具体模型就别去细看了,无非就是,某粒子负责干什么活,某粒子负责干什么活,然后通过巧妙的公式,把所有已知的现象和理论连接在一起。


盖尔曼在大统一的路上算是打了个下手,只能拿个诺贝尔安慰奖。巧合的是,上面说到的“夸克”这一名字,就是这哥们取的,在投票中击败了格拉肖取的“毛粒子”。


粒子标准模型


人员差不多快到齐了,看看怎样上桌组个局,这个局不但要解决粒子产生的机制,还得搞明白粒子之间的强力、弱力、电磁力这三种作用关系。这档事要取个通俗且高大上的名字,就叫“粒子标准模型”吧,简称粒子模型或标准模型。


在近一百年的时间里,粒子标准模型汇集了人类各个时代最顶尖的人才,堪称人类智慧真正的结晶!


喜欢做梦的小盆友先别急着拯救世界,别以为标准模型是拍脑袋拍出来的,拍脑袋研究世界是在伽利略之前的时代,牛顿往后的科学,都是有严密的数学推导和实验数据的,这个模型能精确地解释和预言很多现象。不过呢……粒子模型需要的参数实在太多,计算量太大,别说咱们民科了,就算人家官科也得抽筋。


正如当年用牛爷的万有引力定律算出海王星一样,粒子模型建立之后,预测了很多尚未发现的粒子,后来均被一一证实。


打个比方,我们在研究汽车时,已经发现汽车有轮子、发动机、方向盘,于是根据这些内容勾勒出了整个汽车的结构和运用机理,比如,发动机和轮子之间应该有个变速箱啥的,方向盘前面应该有个挡风玻璃。然后用对撞机不停撞汽车,看看是否飞出了预言中的变速箱和挡风玻璃。


根据标准模型的计算,还有1种特殊的玻色子,这就是费米子在获得质量时产生的粒子,这个过程由希格斯提出,所以这个特殊的玻色子就被称为“希格斯粒子”。没错,博学的小盆友已经猜到了,这就是大名鼎鼎的“上帝粒子”。


上帝粒子是标准模型的最后一环,当时标准模型预测的所有粒子都已被找到,唯独希格斯粒子迟迟不见踪影,擅长找粒子的莱德曼就写了本书,把它称为“该死的粒子”,英文叫GoddamnParticle,出版商觉得这样咒骂它,以后更找不到了,于是把名字中的damn去掉,成了GodParticle,“上帝粒子”这名字就这么来的,。2013年欧洲的大型对撞机LHC终于帮希格斯找到了这颗粒子,随手又送了他一座诺贝尔奖,一时风光无限。


整个模型构建过程中,诞生了成堆的诺贝尔奖。好玩的是,老杨作为基石的规范场论并没有得诺奖,反而是靠宇称不守恒得的奖。巧的是,爱因斯坦也不是因为相对论得奖,而是不痛不痒的光电效应。诺贝尔奖错过了20世纪两个最伟大的理论。


至此,老杨的历史地位跃然纸上,人家在物理学史上是有座次的,坐五望四的级别。


三缺一,引力呢?


等等,好像漏了一个人,咱们的巨星,霍金老人家呢?这不是三缺一,还差个引力没统一嘛。


从狄拉克引入量子场论,到老杨引导建立标准模型,终于把量子力学这头的事情理顺了七七八八。但是,引力还没上桌呢,好在相对论这头仍在原地踏步,想象空间还是有的,那不如就直接干场大的吧!


于是,“弦理论”来了。琴弦的那个弦。


标准模型显然过于繁琐,那么多场啊粒子啊,光基本粒子就有61种之多,如果统统改成一种场,那多方便啊,这就是“弦”。弦的振动对应量子场论的场激发态,后来逐步发展出有超对称性的“超弦理论”,到最后演化出了结合五种超弦理论和十一维空间的超引力理论。


弦理论就不展开说了,总之,就是一堆数学公式,个中高手就是爱德华·威顿,美国犹太人。还有一位美籍华人数学家丘成桐。


这批坐等封神的大咖,天天盼着大型对撞机来加冕,可惜左等右等也不见动静,那总得干点其他活吧?其实,在这一百多年里,也有无数人削尖脑袋在相对论的路上钻研,虽然不像量子力学那样打下如此江山,但多少还是能钻出几个印子,而其中一个印子,正是霍金干的。


\\物理学家--霍金


爱因斯坦后来一直与“大统一”做斗争,最终大败亏输,引力竟然如此顽固。于是,物理学家不得不做持久战的打算,如果对比量子力学那条路的进程,相对论还处在一砖一瓦的阶段,基本套路就是针对某个现象,用相对论和量子力学都去解释一下,至于背后的机理就先不管了。


咱们举几个霍金的例子。霍金的主要研究领域是黑洞,这显然是相对论的地盘。但是霍金推想,根据量子场论,凭空产生一对正反粒子,那么应该是正粒子被黑洞吸进去,反粒子被排斥出来,这就是著名的“霍金辐射”。


霍金另一个重要的研究领域就是宇宙,这也是相对论的范畴,霍金仍然是创造性的引入量子场论的概念,认为宇宙是没有边界的,和场论一样,就这么凭空变来变去,这是霍金著名的“无边界宇宙学”。


还有就是和彭罗斯一起推导了相对论中的“奇性定理”,大概是说空间无限扭曲时,会存在奇点,比如黑洞里或者宇宙大爆炸的初始状态。


霍金的理论虽然数学上非常漂亮,但无一例外,没有一个被证实,所以霍金最终也没有得诺贝尔奖。


客观的说,霍金是一位非常出色的物理学家,但是想在历史上论资排辈,估计还是差了一大截。


因为霍金身上发生的事情实在太励志了,于是一帮人就开始了商业化,围绕霍金的很多事都是这个团队完成的,相当于“霍金有限公司”,随便抖个科普话题就能上头条,比如外星人啊,地球核大战啊……这档事不评论。


至少在宣传科学这点上,霍金是当之无愧的第一人,关注度竟然达到了娱乐明星的水准,我等小辈难以望其项背啊!最后说个小秘密,霍金还是一个著名脱衣舞俱乐部老牌会员哦!


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