【原】科學(xué)大嘮嗑：物質(zhì)是什么（15）我知道結(jié)果，但是不知道為什么
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張 喆 天津市天文學(xué)會(huì)會(huì)員 天津科技館科普輔導(dǎo)員 高能粒子物理學(xué)的黃金時(shí)代出現(xiàn)在20世紀(jì)的60年代末到70年代。
量子場(chǎng)論的細(xì)節(jié)伴隨著弱力和電磁力的統(tǒng)一被一點(diǎn)一點(diǎn)的揭示出來(lái)，這個(gè)時(shí)候，強(qiáng)力的性質(zhì)也慢慢的在物理學(xué)家的頭腦中逐漸的清晰起來(lái)。直到1979年，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的理論所包含的組成部分均被提出。這個(gè)模型里邊囊括了所有已知的基本粒子以及原子和原子核內(nèi)部的作用力，只是其中的一些比較重的粒子還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中得到確認(rèn)。 從20世紀(jì)30年代到60年代的這30年間，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的粒子就像“動(dòng)物園”一樣紛繁復(fù)雜。除了質(zhì)子、中子、電子和中微子之外，還有大量奇怪的新粒子。1932年，美國(guó)物理學(xué)家卡爾·安德森在宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了狄拉克預(yù)言的正電子。4年后，他和另一位美國(guó)物理學(xué)家塞思·內(nèi)德梅耶發(fā)現(xiàn)了另一種新粒子。這種粒子的行為就像是電子一樣，只是質(zhì)量大約是普通電子的200倍。在人們認(rèn)識(shí)它的過(guò)程中，這種粒子有過(guò)很多個(gè)名字，我們現(xiàn)在稱(chēng)之為μ子。在它被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，它根本不符合當(dāng)時(shí)已有的任何關(guān)于物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的理論或是看法。 1947年，布里斯托大學(xué)的物理學(xué)家塞西爾·鮑威爾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了另外一種新粒子，其質(zhì)量比μ子略大，是電子的273倍。但是與介子不同的是，這種粒子分別帶正電、帶負(fù)電和電中性，我們稱(chēng)之為π介子。它們就是湯川秀樹(shù)預(yù)言的粒子。 隨著探測(cè)手段的不斷發(fā)展，新粒子不斷涌現(xiàn)。除了π介子以外，人們還發(fā)現(xiàn)了帶正電和帶負(fù)電的K介子以及電中性的Λ粒子。新的粒子名字迅猛增長(zhǎng)。面對(duì)著這么多的粒子，也就難怪費(fèi)米在回答一位年輕物理學(xué)家的問(wèn)題時(shí)說(shuō)道：“年輕人，如果我能把這些粒子的名字全都記住，那我就能轉(zhuǎn)行當(dāng)植物學(xué)家了。”? 在令人眼花繚亂的新粒子中，一定存在某種潛在的模式。物理學(xué)家現(xiàn)在需要找出一種結(jié)構(gòu)賦予這個(gè)動(dòng)物園秩序，把所有怪異而又奇妙的粒子之間的關(guān)系解釋清楚，就像俄國(guó)化學(xué)家德米特里·門(mén)捷列夫用化學(xué)元素周期表把所有化學(xué)元素排列得井然有序一樣。現(xiàn)在，物理學(xué)家已經(jīng)根據(jù)粒子各種各樣的性質(zhì)對(duì)它們進(jìn)行了分類(lèi)，主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)是強(qiáng)子，另一種是輕子。強(qiáng)子受強(qiáng)力、弱力和電磁力的影響，而輕子只受弱力和電磁力的影響。 強(qiáng)子中有一類(lèi)粒子被稱(chēng)為重子，它們都是較重的粒子，其成員有質(zhì)子、中子、Λ粒子以及在20世紀(jì)50年代被發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)系列的粒子——分別被命名為Σ（西格瑪）粒子和Ξ（克西）粒子；還有一類(lèi)被稱(chēng)為介子，它們同樣受強(qiáng)力作用，但是質(zhì)量介于重子和輕子之間，其成員包括π介子和K介子等。重子和輕子都是費(fèi)米子，自旋均為半整數(shù)。 在20世紀(jì)60年代初，蓋爾曼和以色列物理學(xué)家尤瓦爾·內(nèi)曼提出，如果想要探明強(qiáng)子的模式，就只能假設(shè)它們并不是物質(zhì)最基本的組成部分，它們由其他更為基本的粒子組成。物理學(xué)家逐漸意識(shí)到，我們可以在這些新的基本粒子的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建起對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和組成的新認(rèn)識(shí)。這些新的粒子將會(huì)和輕子一起，成為新的“原子”，粒子“動(dòng)物園”中所有的動(dòng)物——質(zhì)子、中子、π介子、K介子、Λ粒子、Σ粒子、Ξ粒子等粒子都是由這些新“原子”組裝起來(lái)的。 這一模式表明，一個(gè)質(zhì)子或中子需要由兩種新的基本粒子組成，并且每個(gè)質(zhì)子或中子都包含3個(gè)這種粒子。這個(gè)問(wèn)題正是由蓋爾曼自己于1963年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)蓋爾曼還在糾結(jié)于這種想法時(shí)，他碰巧讀到了詹姆斯·喬伊斯的小說(shuō)《芬尼根的守靈夜》中的一段：“向麥克老大三呼夸克！”其中“夸克”一詞與他當(dāng)初的給粒子起的名稱(chēng)不完全押韻，但讀音十分接近，于是他就用——夸克——作為這種古怪粒子的新名字。 這一模式需要3種夸克，蓋爾曼將它們分別稱(chēng)為“上夸克”（u，帶電量為+2/3）、“下夸克”（d，帶電量為–1/3）以及“奇夸克”（s，更重一些的下夸克，帶電量也是–1/3）。當(dāng)時(shí)已知的所有重子都可以由這3種夸克以不同方式組合得到，而介子則是由夸克和反夸克組合得到的。 上、下、奇這些性質(zhì)被描述為夸克的“味”，我們可以將其看作一種新的量子數(shù)。當(dāng)然，這并不是說(shuō)夸克真的能被我們嘗出味道來(lái)，最好的理解方式是把它當(dāng)作一種類(lèi)似于電荷的性質(zhì)。夸克和輕子都帶有電荷，電荷分為兩類(lèi)：正電和負(fù)電。而除了電荷之外，夸克還有味，而在當(dāng)時(shí)夸克的味有3種：上、下、奇。但是我們現(xiàn)在知道，實(shí)際上夸克共有6味。1970年，人們發(fā)現(xiàn)了第4種夸克存在的跡象，它的帶電量為+2/3，可以看作是更重一些的上夸克，它被稱(chēng)為粲夸克，但是大多數(shù)物理學(xué)家還對(duì)它的存在持懷疑態(tài)度。到了1974年11月，另一種被稱(chēng)為J/ψ介子的粒子同時(shí)被紐約布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和位于加州的斯坦福直線(xiàn)加速器中心找到。人們發(fā)現(xiàn)，這種粒子是由一個(gè)粲夸克和一個(gè)反粲夸克組成的。至此對(duì)粲夸克的懷疑瞬間就結(jié)束了。 現(xiàn)在我們還知道了有一種中微子通常與電子為伴，因此又被稱(chēng)為電子中微子。μ子中微子是在1962年被發(fā)現(xiàn)的，而在那段時(shí)間里，物質(zhì)世界的基本構(gòu)件已經(jīng)形成了兩“代”物質(zhì)粒子。上夸克、下夸克、電子和電子中微子形成了第一代，而奇夸克、粲夸克、μ子和μ子中微子形成了更重的第二代。 1977年另一種更重的電子，被稱(chēng)為τ子，被發(fā)現(xiàn)時(shí)，人們很快就確認(rèn)了一定存在第三代物質(zhì)粒子，這意味著還存在另外一對(duì)更重的夸克和一個(gè)τ子中微子。1977年8月，美國(guó)物理學(xué)家利昂·萊德曼在位于芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)了底夸克存在的證據(jù)，他和他的同事們找到了由底夸克和反底夸克組成的Υ（宇普西龍）介子。底夸克是第三代夸克中對(duì)應(yīng)于下夸克和奇夸克的更重的版本，其帶電量為–1/3。 頂夸克和τ子中微子的發(fā)現(xiàn)后來(lái)由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室分別于1995年3月和2000年7月公布，它們與底夸克一起組成了更重的第三代粒子。盡管不能排除存在第四代、第五代甚至更多代粒子的可能性，但是從理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，一些相當(dāng)具有說(shuō)服力的證據(jù)表明，粒子可能只有三代。 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型搭建終于完成
夸克模型是一個(gè)偉大的想法，但在當(dāng)時(shí)蓋爾曼對(duì)于自己構(gòu)想出的粒子居于何種地位相當(dāng)謹(jǐn)慎，他曾認(rèn)為，夸克以某種方式被“束縛”在更大的粒子內(nèi)部，并且把夸克當(dāng)作一個(gè)“數(shù)學(xué)的”概念。 斯坦福直線(xiàn)加速器中心于1968年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明質(zhì)子確實(shí)是一個(gè)包含某種點(diǎn)狀成分的復(fù)合粒子。當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)學(xué)家還不清楚這些成分是否的確是夸克，不過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，它們非但沒(méi)有被緊緊地束縛在質(zhì)子內(nèi)部，反而如同完全自由的狀態(tài)一般四處亂逛。這似乎與夸克由于被束縛在中子和質(zhì)子的內(nèi)部并因此尚未被發(fā)現(xiàn)的觀點(diǎn)相矛盾。如果它們可以自由地隨處游蕩，那為什么不從質(zhì)子和中子里面出來(lái)呢？ 我們通常認(rèn)為，自然界中的力是集中于一點(diǎn)的，通常是粒子或是“產(chǎn)生”力的物體的中心，離這一點(diǎn)越遠(yuǎn)，力的強(qiáng)度就越弱。最明顯的例子是牛頓引力和電磁力。但是，普林斯頓大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維·格羅斯和弗蘭克·維爾切克以及哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維·波利策于1973年指出，強(qiáng)力并不遵循這種模式。正相反，它的作用就像是相鄰的夸克被一根強(qiáng)力的彈簧連接在一起。當(dāng)夸克互相靠近時(shí)，彈簧松弛，它們之間的力減小。在質(zhì)子或中子的內(nèi)部，夸克被束縛在一起，但是互相之間又離得很近，所以能夠看似自由地“隨處游蕩”。 蓋爾曼、德國(guó)理論物理學(xué)家哈拉爾德·弗里奇和瑞士理論物理學(xué)家海因里?！ぢ逡撂鼐S勒現(xiàn)在已經(jīng)擁有了建立一個(gè)關(guān)于強(qiáng)力的量子場(chǎng)論的所有要素，但這個(gè)強(qiáng)力并不是楊振寧和米爾斯在20世紀(jì)50年代初關(guān)注的質(zhì)子和中子間的強(qiáng)力，而是一種作用于質(zhì)子和中子內(nèi)部夸克之間的更強(qiáng)的力。 現(xiàn)在，我們需要再找到一個(gè)新的量子數(shù)。蓋爾曼和弗里奇在此之前確定了“色”的概念。?在他們的理論模型中，每個(gè)夸克擁有3種不同的“色荷”就是紅、綠、藍(lán)中的一種。重子是由3種顏色不同的夸克組成的，這樣他們的總色荷才能均衡為零或稱(chēng)“色中性”，我們稱(chēng)這樣組合成的粒子是“白色”的。 這樣一來(lái)，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的所有內(nèi)容就都齊全了。它由量子色動(dòng)力學(xué)和電弱場(chǎng)論組成，電弱場(chǎng)論又因?yàn)橄８袼箼C(jī)制被分割為兩個(gè)部分，描述弱力場(chǎng)論和量子電動(dòng)力學(xué)的場(chǎng)論，其中囊括三代物質(zhì)粒子、力粒子和希格斯玻色子。截至2000年，除了希格斯玻色子之外，所有涉及的粒子均已在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。 2012年7月4日，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，進(jìn)一步的數(shù)據(jù)收集一直持續(xù)到2012年12月中旬。在2013年3月舉辦的一次會(huì)議上，兩個(gè)探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了新粒子的身份。2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了希格斯和恩格勒。 物理學(xué)家越來(lái)越確信，這就是標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯玻色子。一篇發(fā)表于2015年9月的論文對(duì)兩個(gè)探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)估，結(jié)果很明顯，新發(fā)現(xiàn)的粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的完全一致。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的搭建至此完成。但是標(biāo)準(zhǔn)模型還是充滿(mǎn)了明顯的漏洞。標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有粒子都有對(duì)應(yīng)的反粒子，反粒子與其對(duì)應(yīng)的粒子具有相同的質(zhì)量，但電荷相反，比如正電子和電子。當(dāng)粒子和反粒子發(fā)生碰撞時(shí)，它們會(huì)湮滅，同時(shí)產(chǎn)生高能光子。但是，只要反粒子與粒子相互分離，它們就是非常穩(wěn)定的。
這個(gè)現(xiàn)象直接帶來(lái)的問(wèn)題就是為什么可觀測(cè)宇宙是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成的呢？如果在大爆炸后的前幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，為什么它們沒(méi)有完全湮滅，只留下一個(gè)充滿(mǎn)光但是沒(méi)有物質(zhì)的宇宙呢？也許在早期宇宙演化的過(guò)程中，有一種不為人知的機(jī)制稍稍偏向了物質(zhì)粒子，但是標(biāo)準(zhǔn)模型并沒(méi)有給出解釋為什么會(huì)發(fā)生這種情況的線(xiàn)索。 接下來(lái)就是暗物質(zhì)之謎。如果想要解釋我們今天所看到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，那么就需要引入另一種形式的物質(zhì)，它的引力可以被探測(cè)到，但是不會(huì)發(fā)出任何形式的電磁輻射。雖然我們看不見(jiàn)它，但是我們知道它就在那里。標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何一種基本構(gòu)件都不滿(mǎn)足暗物質(zhì)的要求，我們還是不知道它們究竟是什么。 最后，標(biāo)準(zhǔn)模型中也沒(méi)有引力的位置，而這種力是我們描述大尺度物體所必需的。現(xiàn)在，我們運(yùn)用廣義相對(duì)論來(lái)處理質(zhì)能和彎曲時(shí)空的大尺度行為，運(yùn)用量子場(chǎng)論來(lái)處理原子和亞原子粒子的強(qiáng)力、弱力和電磁相互作用。但是當(dāng)我們?cè)噲D把這兩種理論體系結(jié)合到一起，創(chuàng)造出某種可以同時(shí)適用于上述兩種情況的統(tǒng)一理論時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們其實(shí)并不相容。 標(biāo)準(zhǔn)模型顯然還沒(méi)有完善，物理學(xué)家們還有很多事情要做。但是現(xiàn)在，我們似乎已經(jīng)獲得了足夠多的信息來(lái)揭開(kāi)問(wèn)題最終的答案。下一期咱們就來(lái)聊聊一個(gè)終極的問(wèn)題，那就是物質(zhì)到底是什么？“科學(xué)大嘮嗑”是悅讀讀書(shū)會(huì)新增添的一個(gè)欄目，每周更新一次，作者是書(shū)友們所熟悉的“牧羊人”張喆老師。他曾組織過(guò)我們讀書(shū)會(huì)開(kāi)展天文線(xiàn)下活動(dòng)，也是《時(shí)間簡(jiǎn)史》、《上帝擲骰子嗎？》的領(lǐng)讀者。對(duì)于天文愛(ài)好者，此欄目是一個(gè)相當(dāng)大的福利。對(duì)天文還未有過(guò)了解的書(shū)友們，這也是一次增長(zhǎng)天文知識(shí)的機(jī)會(huì)。期待張老師下一次更新！
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