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上帝粒子HIGGS的前生今世(2) 精选

已有 17071 次阅读 2011-12-24 14:57 |个人分类:科学探索|系统分类:科普集锦| 标准模型, 上帝粒子

 

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。。。

 

欲知后事如何?请听下回分解!

 

 【特别快讯】

美国每日新闻网站12月22日报道:伯明翰大学和兰开斯特大学的研究人员,在分析【LHC】的ATLAS实验数据后,确信发现了标准模型所预言的一种新粒子【chi b (3P)】,它是由一个【底夸克】和一个【反底夸克】构成的中间玻色子,类似最早发现的【π介子】。。。





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