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上帝粒子HIGGS的前生今世(1) 精选

已有 26394 次阅读 2011-12-14 18:13 |个人分类:科学探索|系统分类:科普集锦| 标准模型, Higgs, 上帝粒子

 

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!)

 



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