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探索无所不包的宇宙中的基本粒子

时间:2023-08-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:问题的关键是目前人们尚未检测到伴粒子的存在。关于基本粒子,希腊人有他们自己的看法。20世纪70年代建立的粒子物理学“标准模型”给庞杂的基本粒子带来了一些秩序,亚原子物理学家们认为有必要对这些基本粒子进行定义。标准模型从物质和力的角度描述所有的粒子。依照希格斯玻色子理论支持者们的说法,整个宇宙间弥漫着一个“希格斯场”,这个场与无质量的粒子相互作用使它们产生质量。

探索无所不包的宇宙中的基本粒子

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超对称性理论是否还有希望?

长期以来,物理学家们一直在寻找“万物理论”,目的是以一种一致的方式解释使整个宇宙凝聚为一个整体的全部作用力。虽然量子力学相对论已经有了发展,物理学家们在研究上付出的努力却似乎未能换来任何进展。然而关于最新的研究方向之一——弦理论,我们有很多话要说。

弦理论的预测之一就是在高能量水平上我们应该开始查看对称的证据(简称为SUSY)。该理论为每个传送力的粒子找到对应的伴粒子,伴粒子组成了物质(费密子),反之亦然。问题的关键是目前人们尚未检测到伴粒子的存在。瑞士欧洲核子研究委员会的大型强子对撞机的作用之一就是用来检验超对称理论,但是目前人们所预测的所有粒子均未检测到,一些对弦理论曾持支持态度的人甚至开始认为弦理论可能最终会被抛弃。

~193

夸克是由更小的粒子组成的吗?

关于基本粒子希腊人有他们自己的看法。他们把基本粒子叫作原子,意思是不可分割之物。1897年英国物理学家汤普森发现了电子,最终得出了原子可分割的结论。在此之后人们发现一些电子正沿着轨道绕微小的原子核旋转,而原子核由质子和中子构成,它的质量占原子质量的绝大部分。1964年美国物理学家默里盖尔曼(MurrayGell-Mann)指出质子和中子是由更小的粒子构成的,他把这种粒子叫作夸克(来自詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根守灵夜》)。夸克共有六种类型或者说“风格”,它们的名称分别是:上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、奇夸克和媚夸克。它们中没有哪个是可以独立存在的,而是以各种方式相互结合形成其他粒子。至于以后人们对于更微观方向和更小粒子的探究是否会止步,没人可以给出确切的答案。

~194

其他基本粒子均可衰变为夸克,质子也可以吗?

正如192中所提及的,近几十年来物理学界所关注的焦点集中到了对“万用理论”的研究上,科学家们试图将控制物质行为的四种作用力联系在一起。这四种作用力分别是:电磁力、强作用力(该作用力将基本粒子凝聚在一起形成原子和分子)、弱作用力(放射性衰败的成因)以及万有引力

随着万物理论愈来愈复杂,研究人员开始将目标缩小至找到“大统一理论”,该理论可以解释前三个作用力,暂且将万有引力抛到一边,因为尽管万有引力可以相隔遥远的距离发生作用但是与前三个作用力相比,万有引力还是要弱得多。在粒子物理学方面,随着基于夸克的“标准模型”的建立,科学家们已经提出了一些“大统一理论”并且得到了实验验证。

其中的一个假设就是有关质子与中子相互转化的。这个假设在实验室内通过自由中子和质子得到了验证,这些自由粒子是不受原子核中其他粒子束缚的,然而受到束缚的质子和中子却具有高度的稳定性。其实这些理论预测衰变过程的半衰期是1032年,这个周期跟宇宙的年龄差不多,宇宙的年龄为1055年。实验室内为检测到衰变过程迹象所进行的实验还尚未得到其他证据的支持。(www.xing528.com)

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希格斯玻色子存在吗?

20世纪70年代建立的粒子物理学“标准模型”给庞杂的基本粒子带来了一些秩序,亚原子物理学家们认为有必要对这些基本粒子进行定义。标准模型从物质和力的角度描述所有的粒子。物质是由一类叫作费密子的粒子组成的,费密子可以是夸克也可以是轻子,而作用力可以用另一组粒子——玻色子来解释。

夸克和轻子各有六种形式,通过四种玻色子凝聚在一起,这四种玻色子都在实验中得到了证实。但是目前第五种玻色子尚未检测到。这个第五种粒子就是有名的希格斯玻色子,因由英国物理学家彼得·希格斯在20世纪60年代首次提出而得名。如果希格斯玻色子真的存在,那么它就是粒子获得质量的原因,同时也是宇宙大爆炸后第一秒内能量向物质转化的关键,这也就是为什么人们将它称之为“上帝粒子”的原因。如果希格斯玻色子不存在,物理学家们需要提出新的理论,其中还要涉及修改“标准模型”。

科学家们利用欧洲核子研究委员会的大型强子对撞机进行了一些实验,试图通过探测到希格斯玻色子以检验该理论。如果实验真的探测到了希格斯玻色子,这就意味着史蒂夫·霍金输掉了他与密歇根大学高迪·凯恩教授在2000年打的赌,那时霍金坚信希格斯玻色子不存在。

~196

如果希格斯玻色子真的不存在,那又是什么将能量转化为物质的呢?

史蒂夫·霍金在2008年时曾说:“我认为如果我们没能找到希格斯玻色子的话,反倒是个好事儿,因为这能说明一定是哪个地方出了差错,我们需要开始重新思考。”其实好多人已经开始清晰地进行重新思考了,因为目前已经出现了七种不同的理论,足以填补因希格斯玻色子未找到而形成的缺口。毫无疑问,所有这些都只是解释了亚原子物理学的某些方面,不能进行全面地诠释。因此,希格斯玻色子仍是大统一理论中的最佳潜在组成部分。

~197

为什么有些粒子有质量,而有些粒子没有呢?

根据现有的理论,光子也就是组成光的粒子,它没有质量,而其他粒子,比如说电子和夸克却是有质量的。没有人可以说出它们之间的区别是什么,为什么会有这样的区别。依照希格斯玻色子理论支持者们的说法,整个宇宙间弥漫着一个“希格斯场”,这个场与无质量的粒子相互作用使它们产生质量。也许这是人们下一步可利用大型强子对撞机进行研究的内容,但是至于光是否可以转化为物质却又是另一个问题了。

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