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本文，高能！

百家作者：广东共青团 2020-08-20 13:58:34

本文经授权转载自微信公众号「新原理研究所」（ID：newprincipia）

空间、时间、物质

......

宇宙万物起源于138亿年前的大爆炸

宇宙诞生之后

几乎是在刹那之间

空间中的能量就会转换成

构筑万物的最基本单元

夸克和轻子

当然，此时的宇宙也充满了辐射

在最初的时刻

宇宙处于难以想象的高温和高能状态

但随着宇宙的膨胀和冷却

夸克和轻子最终会结合成越来越复杂的结构

原子核、原子、分子

恒星、行星、星系、星系团

逐渐登上空间舞台

......

大约45亿年前

我们脚的下星球在混乱中诞生了

又过了几亿年

生命悄然地在地球上孕育

在30几亿年的演化进程中

生命从最初的单细胞

逐渐演化出了今天数以万亿计的物种

其中包括人类

人类在统治这个星球后

开始发明、创造

甚至思考宇宙的本源

2000多年前

古希腊先哲开始思考

构成万物的最基础单元究竟是什么？

是水、气、土、火？

是以太？

还是原子？

直到上个世纪

物理学家在发明了“超级放大镜”后

才揭开了关于物质的层层迷雾

原来

我们所熟悉的

细胞、高山、彗星

这些看似完全不同的物体

实际上都由夸克和轻子组成的

夸克和轻子

也被称为基本粒子

意味着不可再分割

是什么力将夸克结合在一起？

什么是轻子？

基本粒子之间是如何相互作用的？

存在比已知基本粒子更基本的粒子吗？

......

研究基本粒子

以及它们是如何在最小和最大的尺度下运作的学科

被称为高能物理学或粒子物理学

高能物理学的研究对象

“小”且“高能”

前者意味着量子力学非常重要

后者意味着狭义相对论非常重要

1900年

普朗克为了解释黑体辐射的问题

大胆假设

能量并非连续的

而是只能以一份一份的“量子”形式

被吸收或发射

从而敲响了量子世界的大门

根据量子力学

粒子的行为并不总是像粒子

有时也像波

电子或其他物质粒子的波长

由德布罗意公式给出

举个例子

一个以10⁶m/s运动的电子

其德波罗意波长约为10⁻¹⁰米

这大约是一个原子的大小

1905年

爱因斯坦提出了重写时空观的狭义相对论

爱因斯坦最著名的质能关系

也源自于狭义相对论

20世纪20年代末

狄拉克在描述高速运动的电子的行为时

将狭义相对论和量子力学结合

写下了相对论性的波动方程

狄拉克方程

该方程预言了反物质的存在

比如夸克和电子都有其反物质版本

它们质量相同但电荷相反

量子场论

是与狭义相对论相容的量子理论框架

在量子场论中

每种粒子都有与其对应的场

如电子场、胶子场、希格斯场等

这些场弥漫在宇宙中

激发特定的场就会产生相应的粒子

例如激发电磁场

就会产生光子

当粒子间的相互作用较弱时

量子场论可以通过费曼图来简化计算

简单的线条、波浪线和顶点

“几乎革新了理论物理学的方方面面”

但当粒子间的相互作用很强时

就需要发展新的工具和技术

这对理解夸克被禁闭在质子中等现象非常必要

描述光和物质之间相互作用的量子场论

被称为量子电动力学

描述夸克和胶子之间相互作用的理论

则被称为量子色动力学

量子场论是现代物理学的基石之一

无论是研究电子在固体中如何相互配合

还是探索黑洞附近的弯曲时空

都需要应用量子场论

上个世纪70年代

物理学家基于量子场论

建立了粒子物理学的

标准模型

如果用一张图表总结标准模型

看起来会非常简洁：

但需要记住的是

简洁的背后实际上是大量复杂的数学

比如描述物质如何参与弱相互作用

和电磁相互作用的

拉格朗日量

看起来是这样的

标准模型的那张图表中

显示了已知的所有基本粒子

这些粒子可以分为两大类

费米子和玻色子

夸克和轻子都属于费米子

夸克有六种“味”

就好比冰淇淋有不同的口味一样

夸克有上、下、奇、粲、底和顶

除了拥有电荷的性质

夸克还拥有色荷：红、绿、蓝

这当然与生活中的颜色无关

而是它们的一种量子性质

1964年

盖尔曼和茨威格写下了“食谱”

混合搭配三种不同“颜色”的夸克

可以构成无色的重子（比如质子）

夸克和反夸克则可以结合成介子

理论上

夸克和反夸克还可以组成四夸克态

甚至是五夸克态

近年来的实验似乎已经验证了这一点

同样地

轻子也有六种味

电子是我们最熟悉的轻子

此外还有与电子性质完全一样

但质量更大的μ子和τ子

电子、μ子和τ子

都有对应的中微子

中微子非常神秘

它们几乎不与物质相互作用

因此很难捕捉到它们

太阳、超新星、地球上的粒子衰变

都是中微子的制造厂

在中微子的传播过程中

中微子还会相互转变身份

这一神奇的特性意味着它们是有质量

但标准模型曾告诉我们它们跟光子一样

没有质量

所以研究中微子或许会带领我们

找到超越标准模型的新物理

中微子的质量从何而来？

物理学家还不是很清楚

但其他粒子的质量与弥漫在宇宙中的

希格斯场息息相关

20世纪60年代

物理学家发现

粒子与希格斯场作用的强度

决定了它们质量的大小

夸克和W、Z玻色子

都是通过与希格斯场作用而获得的

而与希格斯场相关的粒子正是希格斯玻色子

除了希格斯玻色子外

标准模型中还有一类玻色子叫“规范玻色子”

它们是载力粒子

物质之间的“交流”就是由规范玻色子传递的

电子和质子彼此间感受到的电磁力

是由光子传递的

夸克之所以能够结合在一起

是因为传递强核力的胶子将它们

紧紧地束缚住

而支配粒子发生衰变的弱相互作用

则是由W和Z玻色子传递的

电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用

在不同的尺度下支配着万物的运作

1967年

温伯格发表了一篇标志性的论文

《轻子模型》

这是标准模型的核心之一

在只有两页半纸的论文中

温伯格统一了电磁相互作用和弱相互作用

他的理论表明

这两种力只是“电弱相互作用”的不同方面

就好比电磁相互作用是电和磁的两面

基本粒子非常之小

无论物理学家如何眯着眼睛

都无法用显微镜看到夸克

那物理学家究竟是如何“看”到它们的？

答案是粒子加速器！

肉眼之所以能看到物体

是因为可见光在物体表面反射

但显然肉眼无法看到粒子

这是因为粒子的波长

远小于可见光的波长

粒子的波长与能量成反比

这意味着

要研究放大10亿倍的细节

就需要将粒子的能量提高10亿倍

这是加速器用于研究亚原子世界的基本原理

从上个世纪30年代开始

物理学家所触及到的能量约为100keV

eV是能量单位

1eV = 1.602176634×10⁻¹⁹J

随着技术的进步

加速粒子的能量越来越高

能够探索的尺度也越来越小

物理学家想要建造更大的加速器

就是为了在更高的能量探索粒子世界

希望能够有全新的发现

加速器有许多不同的类型

比如同步加速器、回旋加速器、直线加速器

目前世界上最大的加速器是大型强子对撞机

位于法国和瑞士的边界

在大型强子对撞机中

两束质子会不断的加速

在被探测器包围的地方进行对撞

爱因斯坦的质能等价告诉我们

能量越高

就越有可能创造出

不稳定的大质量粒子

探测器的不同部件

会追踪不同的粒子

在标准模型建立之后

加速器的高速发展陆续发现了预言的粒子

比如电弱理论预言的W和Z粒子

到了2012年

标准模型的最后一个未被发现的粒子

希格斯玻色子

终于在大型强子对撞机中被找到

但这是否意味着粒子物理学已经走到尽头？

剩下的工作就是对理论的修修补补？

答案是否定的！

希格斯玻色子的发现是结束

也是新的开始

虽然标准模型经历所有最严格的检验

但仍然有许多问题是它无法回答的

例如

遍布宇宙中的暗物质是什么？

推动宇宙加速膨胀的暗能量又是什么？

为什么引力比其他三种基本力要弱？

为什么宇宙主要是由物质构成的？

空间真的只有三个维度吗？

......

为了解决这些问题

理论学家已经提出了各种不同的模型

也预言了许多新的粒子

物理学家曾经对超对称理论寄予厚望

该理论假设

所有的费米子都有一个玻色子的超对称伙伴

所有的玻色子也都有费米子的超对称伙伴

如果能找到超对称粒子

暗物质的问题似乎就迎刃而解

更令人惊喜的是

当考虑到超对称的时候

电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用

能够在更高的能量下统一成“大统一力”

一些粒子物理学家曾预期

在大约100GeV和1TeV能量区间

能够找到最轻的超对称粒子

但事与愿违

大型强子对撞机

至今没有发现任何超对称粒子的踪迹

尽管实验学家没有获得根本性的突破

但却不能停止理论学家的步伐

物理学家的终极目标是

找到一个“万有理论”

将四种基本力统一到一个框架中

换句话说

物理学家希望找到一个能够

统一量子场论和广义相对论的理论

弦论是迄今为止最有潜力的万有理论

它假设已知所有的基本力

都是由振动的弦组成

2020年度的狄拉克奖

授予了三位弦论物理学家

但弦论面临着一些严峻的问题

比如无法被实验直接验证

几十年过去了

物理学还未迎来革命性的新突破

新物理是否隐藏在下一代

更大、更强、更高能的对撞机中

这是许多高能物理学家努力奋斗的方向

参考来源：

https://www.asc.ohio-state.edu/mathur.16/quantummechanics27-11-17/qm1.2/qm1.2.html

https://www.nature.com/news/polopoly_fs/1.17081!/menu/main/topColumns/topLeftColumn/pdf/519142a.pdf

http://cms.web.cern.ch/content/size-things

https://phy.duke.edu/research/research-areas/high-energy-physics

https://www.physics.upenn.edu/research/high-energy-physics

https://neutrinos.fnal.gov/whats-a-neutrino/

http://www.thomasgmccarthy.com/an-introduction-to-collider-physics-i

https://www.symmetrymagazine.org/article/october-2013/why-particle-physics-matters

图片素材来源：CERN/Wikimedia Commons/Quanta Magazine/Thomas Gutierrez

撰文：二宗主；校对：竹琴（中科院高能所）；图片设计：岳岳

来源：新原理研究所

编辑：小米

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