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編譯 | Quest 排版 | 徐徐 標準模型，對于人類已知的科學理論來說，這個名字顯得毫無意義。但是上個世紀諾貝爾物理學獎的四分之一以上都是標準模型的直接或間接結果。 許多人回想起科學家和媒體對2012年發(fā)現希格斯玻色子的興奮之情。但那場大肆宣傳的事件并沒有突然出現 - 這標志著標準模型五十年不敗的歷史。每一次推翻它的嘗試都要在實驗室中證明它必須進行重大修改 - 而且在過去的50年中已經有很多 - 已經失敗了。 簡而言之，標準模型回答了這個問題：什么是由什么組成的，它們是如何結合在一起的？ 元素周期表 Credit: RubénVera Koster 最小的積木 眾所周知，我們周圍的世界是由分子組成的，分子是由原子組成的。化學家門捷列夫在19世紀60年代就認識到這一點，并將所有原子 - 即元素 - 排列成周期表。但是有118種不同的化學元素。有銻，砷，鋁，硒......物理學家喜歡簡單的事情。我們想把東西歸結為它們的本質，一些基本的構建塊。超過一百個化學元素并不簡潔。古人認為，一切都只由五個元素組成 - 土，水，火，空氣和以太。五是比118簡單得多，但這是錯誤的。 到1932年，科學家們知道所有這些原子都是由三種粒子組成 - 中子，質子和電子。中子和質子緊密地結合在核內。電子以接近光的速度在原子核周圍旋轉。物理學家普朗克，玻爾，海森堡和朋友們發(fā)明了一種新的科學 - 量子力學 - 來解釋這種運動。 那將是一個令人滿意的結果，只有三種粒子。三比五更簡單。但是如何結合在一起？帶負電荷的電子和帶正電荷的質子通過電磁結合在一起。但是質子全都擠在核中，它們的正電荷應該將它們強有力地分開，顯然中性中子不能幫什么忙。 讓這些質子和中子結合在一起的是什么？有人會說這是神的旨意，但是，即使作為一個神圣的存在，這種情況看起來上帝也有一個很大的麻煩 - 密切關注宇宙中10??個質子和中子，并按照自己意志將它們結合在一起。 擴大粒子的動物園 與此同時，殘酷的大自然拒絕將它的動物園種數保持在三個。因為我們應該數一下愛因斯坦所描述的光子粒子，真的是四？當安德森探測到來自外太空的正電子時，毫無疑問，四變成了五。而這正是狄拉克曾預測到的反物質粒子。然后當湯川秀樹預測將會發(fā)現把核結合在一起的π介子時，五又變成了六。 然后拉比又發(fā)現了比電子重200倍，但性質又與之相同的μ子，我們來到七面前，顯然這不再簡潔了，但事情沒那么簡單。 到20世紀60年代，有數百個“基本”粒子。排列整齊的元素周期表，已經被很長的重子（像質子和中子），介子（如π介子）和輕子（如電子和難以捉摸的中微子）這些列表所代替，物質世界顯得雜亂又沒有指導原則。 進入這一突破口的是標準模型，這不是一夜之間的光輝。沒有阿基米德從呼喊“尤里卡”時從浴缸中跳出來類似的場景。相反，在20世紀60年代中期，一些關鍵人物發(fā)表了一系列重要見解，將這一泥潭轉變?yōu)橐粋€簡單的理論，然后進行了五十年的實驗驗證和理論闡述。 夸克，他們有六種我們稱之為不同口味的品種。像冰淇淋一樣，除了不如香草那么美味。我們有上，下，奇，粲，底和頂。 1964年，蓋爾曼和茨威格給我們帶來了食譜：混合搭配任何三個夸克來獲得重子。質子是兩個上夸克和一個下夸克結合而來;中子是兩個下夸克和一個上夸克組成。一個夸克和一個反夸克組合可以成為一個介子。一個π介子是一個上夸克或一個下夸克，與一個下夸克或上夸克結合而成。 基本粒子的標準模型：夸克，輕子和載力重子 Credit:費米國家加速器實驗室 有趣的是這些夸克它們彼此緊密相連，以至于你永遠無法找到單獨一個夸克或反夸克。這種使夸克結合的粒子稱為膠子，研究這種粒子與夸克相互作用的理論被稱為量子色動力學。這是標準模型中至關重要的一部分，但在數學上解決這個問題困難重重，甚至構成了一個未解決的基礎數學問題。物理學家盡力用它來計算，但我們仍在學習如何使用。 標準模型的另一方面是“輕子模型”。這是史蒂文.溫伯格1967年的標志性論文的主要內容，他結合了給出基本粒子質量的希格斯機制，融合了我們熟悉的電磁學和導致某些放射性衰變的“弱核力”，并解釋說它們是同一種力的不同方面。從那以后，標準模型預測了一次又一次的實驗結果，包括發(fā)現了幾種夸克和用于弱相互作用的重粒子W和Z玻色子。在20世紀60年代關于中微子具有質量的可能性被忽略了，但是在20世紀90年代進入標準模型，中微子加入了這個粒子大家庭。 在CERN粒子加速器記錄的事件的三維視圖顯示希格斯玻色子的一對光子（黃色虛線和綠色點）Credit:CERN 2012年科學家發(fā)現了長期以來被標準模型預測并長期受到追捧的希格斯玻色子，令人興奮但并不意外。這是標準模型對粒子物理學家的關鍵性勝利。因為物理學家們已經為超越標準的理論提出了許多建議模型。這些名稱包括大統一理論，超對稱和弦理論等令人興奮的名稱。 至少對于他們的支持者來說，超標準模型理論尚未成功預測任何新的實驗現象或與標準模型有任何實驗差異，經過五十年的發(fā)展，標準模型值得慶祝，它還遠不需要升級，它仍舊是萬事萬物的絕對完美理論。 完 參考原文： https:///the-standard-model-of-particle-physics-the-absolutely-amazing-theory-of-almost-everything-94700 每日一圖 目前為止，我們只能猜測希格斯玻色子可能是什么樣子 Credit：DESY Zeuthen 謝謝閱讀 |
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