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”表和“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Feynman、Schwinger、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1/3或2/3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“V－A”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&美】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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