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《1900:游走在欧洲的物理学霸》第675章 粒子大厦终建成!标准模型惊天下!

    第675章粒子大厦终建成!标准模型惊天下!大道六十二!引力子遁其一!

    盖尔曼提出的夸克模型,解释了纷繁复杂的强子类型。

    而越来越多的实验表明,质子等强子确实有更细的结构。

    于是,夸克理论逐渐被接受,成为共识。

    但是很快,物理学家们的信仰又开始发热了。

    比如,大佬格拉肖说:

    “大家看哈。”

    “轻子有四种,电子和电子中微子,μ子和μ子中微子。”

    “但是夸克却只有三种,也不对称啊!”(反夸克不算)

    “夸克应该有四种!”

    格拉肖甚至还直接将第四夸克命名为【粲夸克c】。

    这个粲对应的英文意思是对称。

    即它完全是来源于人类对于宇宙对称美感的追求。

    但光提出没用啊,我也可以说存在第18夸克:龙夸克。

    找到证据才行。

    就因为这种纯粹的信仰,不少物理学家开始了寻找第四夸克之路。

    1974年11月,美籍华裔物理学家丁肇中领导的研究团队正式宣布,他们在用质子撞击质子的实验中,发现了一种新的粒子,名为【j粒子】。

    与此同时,另一个研究团队利用正负电子对撞,也发现了同样的粒子,并命名为【Ψ粒子】。

    所以,这个粒子就被称为【j/Ψ粒子】。

    通过对j/Ψ粒子的研究发现,这个粒子的性质非常奇特,寿命跟理论预测的很不一样。

    (通过不确定性原理可以计算出粒子的寿命。)

    现有的三夸克模型无法解释这个寿命问题。

    于是乎,格拉肖提出的第四夸克发挥作用了。

    有了粲夸克后,四夸克模型就能很精确地解释j/Ψ粒子的寿命问题。

    而且粲夸克还能和另外三种夸克组成新的强子。

    物理学家从理论上就能对这些新强子的质量、量子数等作出预测。

    然后再通过粒子对撞机实验,寻找到这些新粒子。

    最后,反过来验证夸克模型的正确性。

    这就是粒子对撞机的重要作用。

    在当时那个年代,它绝对是整个物理学领域最重要的仪器。

    而对撞实验也堪称是物理学最后的盛宴!

    后来杨振宁为什么不建议华夏再建对撞机呢?

    就是因为他觉得该预测的粒子已经都被找到了,再撞也撞不出什么东西了。

    这才是那场惊天辩论的核心。

    再回来。

    丁肇中也因此获得了1976年的物理诺奖。

    他的发现直接导致了第四夸克的成型。

    这时候,以量子场论为核心的理论物理同样在飞速发展。

    那些理论大佬从理论上证明:夸克应该存在六种,即夸克有六种【味】。

    得!

    理论大佬一张嘴,实验大佬跑断腿。

    于是乎,粒子物理学又开始热闹了。

    无数实验物理学家开始寻找第五第六夸克的证据。

    方法也很简单,继续寻找新的粒子。

    如果发现一个粒子无法用现有的四夸克解释,那就说明存在第五夸克。

    1977年,美国物理学家莱德曼领导的研究小组,又发现了一种新粒子,命名为【y粒子】。

    现有的四夸克理论又解释不了y粒子的奇特现象了。

    于是,第五夸克顺理成章地出现了。

    它就是【底夸克b】。

    既然第五夸克是底夸克,那么第六夸克对称命名就是【顶夸克t】了。

    底夸克被发现以后,直到20多年后的1995年,顶夸克才被发现。

    至此,六种夸克全部找到:上、下、奇、粲、底、顶。

    这时,又发生一件有意思的事情。

    前面说,当时的理论大佬已经从理论上预言了六种夸克。

    当第五夸克底夸克被找到的时候,所有人都坚信第六夸克肯定存在。

    这时候,另一批研究轻子的物理学家又有想法了。

    “既然夸克有六种,那么轻子也应该有六种。”

    “现有的轻子只有四种,说明还存在两种。”

    由此可以看出,物理学家对于美和对称看的有多重。

    于是乎,有人开始寻找第五和第六轻子。

    按照规律来看,这应该是一对类似电子和电子中微子的粒子。

    1979年,美国物理学家马丁佩尔在正负电子对撞实验中,找到了一个新的粒子。

    他将其命名为【陶子】t子,对应的中微子就是【陶子中微子】。

    至此,六种轻子也全部被找到了。

    此刻,粒子物理学终于展现出其震撼的一面。

    整个宇宙中所有的物质粒子,全部都是由夸克和轻子组成。

    物理学家按照粒子的重量,把夸克和轻子分成了三代:

    第一代夸克:上夸克、下夸克;第一代轻子:电子、电子中微子。

    第二代夸克:奇夸克、粲夸克;第二代轻子:μ子、μ子中微子。

    第三代夸克:底夸克、顶夸克;第三代轻子:t子、t子中微子。

    可以看出,我们的物质世界(指质子中子电子组成的原子世界),是由第一代基本粒子构成的。

    (奇粲底顶夸克虽然也组成强子物质,但极短时间就会衰变成上下夸克,不是物质世界主流。)

    第二代和第三代相比第一代,只有质量变得更大,没有其它任何差异。

    以电子质量为例,μ子是电子的约200倍,t子是电子的约3000倍(非常重)。

    所以,物理学家们非常纳闷:

    “宇宙的底层物质代码,为什么要有三个版本?”

    “难道是造物主在创造的时候,不小心造成的bug?”

    总之,目前为止,没有人知道为什么。

    这里,还要补充一个知识。

    夸克的【味】就是指夸克的六种类型,所谓夸克有六种味。

    此外,夸克还有一种量子性质,名为【色】,简单理解就是类似电荷那样的性质。

    每种味的夸克都有三种不同的色。

    因此,夸克的种类一共就是6*3=18种。

    再加上对应的反夸克,夸克粒子一共有18*2=36种。

    而轻子有六种,加上反轻子,一共是6*2=12种。

    前面说过,费米子是组成物质的粒子,而玻色子是传递粒子之间相互作用的粒子。

    因此,我们的宇宙,费米子的种类一共是48种。

    这些费米子就像元素周期表中的不同元素一样,通过各种排列组合,形成了万物。

    而在众人如火如荼地寻找夸克和轻子的时候,关于玻色子的研究也在同时进行。

    传递电磁相互作用的玻色子是光子,这没什么说的。

    紧接着,格拉肖等人在研究电弱统一理论时,从理论上提出了w玻色子和z玻色子。

    其中w玻色子又分为w+和w-两种玻色子。

    这三种玻色子是传递弱力的媒介粒子。

    这里要提一个99%的人都不知道的小知识,学会了可以拿去装逼。

    以电磁力为例。

    当我们说两个带电粒子通过交换光子,从而完成了相互作用。

    请问这个“交换”是如何完成的呢?

    是不是a粒子朝着b粒子发射一个【真正的】光子,然后b粒子接收到,就表示完成了。

    错!

    a和b交换的并不是真正的光子,而是【虚光子】。

    前面已经说过虚粒子的性质。

    同样,格拉肖等人在提出w玻色子和z玻色子的时候,这两种粒子也是【虚粒子】。

    即,仅仅是理论上以数学形式存在,实际并不存在。

    然而,神奇的是,在后面的实验中,却在真实的世界中找到了真正存在的w玻色子和z玻色子。

    就如虚光子和实光子一样。

    是不是很神奇?

    那么要如何理解从虚到实的问题?

    我是这样理解的。

    任何一种粒子都是由场激发的。

    如果场在激发出一个粒子的时候,粒子存在的时间太短了,超出了检测范围,那么它就是虚粒子。

    而一旦有某种能量持续给这个虚粒子充能,它就来到了真实世界,成为了实粒子。

    如何充能呢?

    答案就是另外的场!

    即另一个场的动荡影响了原本的这个场。

    这就是w玻色子和z玻色子最后变成实粒子的原因。

    (当然,理论上的过程极其复杂,无法通俗易懂地解释,以上只是我一家之言。)

    用玄幻小说的观点解释就是:

    “叶天帝以无敌拳光,搅动时光长河,接着,一把捞出只存在于虚幻中的那个人的背影。”

    物理学到了尽头,确实挺玄幻的。

    好了,这个知识可以拿去装逼了。

    w/z玻色子发现之后,研究强力的大佬们又提出了【胶子】的概念。

    胶子是传递强力的粒子。(前面说了胶子与介子传递强力的区别哈)

    接着,物理学家通过理论和实验,一共找到了8种胶子。

    前面说过,因为杨-米尔斯方程中的质量问题。

    还存在一种特殊的粒子,为其余所有的粒子提供质量。

    它就是大名鼎鼎的【希格斯玻色子】。

    到此,所有的玻色子也全部被发现。

    分别是:光子(1)、胶子(8)、w玻色子(2)、z玻色子(1)、希格斯玻色子(1)。共13种。

    注意的是,作为为其它粒子提供质量的希格斯玻色子,其本身是有质量的粒子。

    此外,光子没有质量、胶子没有质量、w和z玻色子却有质量。

    所有的玻色子都是不可再分的基本粒子。

    至此,物理学家大舒一口气。

    “粒子物理的大厦终于建成了!”

    这座大厦的名字就叫【标准模型】。

    标准模型中包含了48种费米子和13种玻色子,一共61种【基本粒子】。

    它长这样:

    其中,紫色的六种粒子是六味夸克,下面绿色的六种粒子是六种轻子。

    它们都按照一二三代划分。

    右边红色一列依次是传递强力的胶子、传递电磁力的光子、传递弱力的w/z粒子。

    最后那个黄色的特殊粒子就是希格斯玻色子。

    费米子都有各自的反粒子,没有体现在表格内。

    可以说,上面这张平平无奇的图表,代表了自物理学诞生以来的最巅峰成就!

    以后不管再发现任何新的粒子和现象,都可以用这种表解释。

    而且利用标准模型,可以预测很多的现象,最后都通过实验证实了。

    这就是它伟大的地方。

    但也有部分预测至今没有实现。

    比较著名的有“质子衰变”。

    绝大多数微观粒子都会发生衰变,但质子为何那么稳定呢?

    按照标准模型的预测,质子同样也会发生衰变,但至今也没有观察到过。

    因为按照物理学家的预测,质子的半衰期超过了惊人的1.6*10^34年。

    这个时间尺度,已经超越了宇宙本身存在的意义。

    所以,质子可以看成是永恒存在的!

    同样永恒的物质粒子,还有电子。

    总之,标准模型的诞生是物理学开天辟地的大事!

    它把宇宙中的一切物质和相互作用全都包括其中。

    “不对!不对!”

    忽然有大佬读者跳了出来,说道:

    “引力在哪呢?”

    “标准模型中怎么没有引力?”

    恭喜你,发现了物理学最大的未解之谜!

    “引力和其它三种力在标准模型的框架下不兼容!”

    支持标准模型的人认为,表中应该还缺少第62种基本粒子:引力子。

    有了它,标准模型就真正圆满了!

    后世只要是和引力子相关的突破,绝对都能引起物理学界的超级大地震。

    但可惜,目前为止,并没有发现任何引力子存在的证据,哪怕是间接证据也没有。

    所以,凡是在营销号上看到什么找到引力子的,都可以心中默念:s。

    不过,物理学家还是希望以量子场论的思想框架为核心,把引力纳入其中。

    因此出现了量子引力等理论。

    反对标准模型的人认为,引力就不可能被纳入标准模型之中,它需要更高层次的理论。

    于是,弦理论应运而生。

    该理论认为,根本没有什么基本粒子,所有的粒子,都是由一根根弦震动而成。

    弦的不同震动方式就诞生了不同类型的粒子。

    在这种框架下,引力子就可以和其它基本粒子统一了。

    但是,目前为止,该理论没有任何实质性的突破。

    因为完全无法从理论上验证。

    物理学家连夸克都无法真正【看到】,又怎么去观察比夸克更小的弦呢。

    此刻,李奇维看着众人,脑海里闪过波澜壮阔的标准模型发展史。

    他要走的路,是第二种,打破标准模型的框架!

    在更高的维度上,统一四大基本力和所有粒子,乃至一切时空!

    “道生一,一生二,二生三,三生万物!”

    “太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦,八卦定乾坤!”

    (靠!给我写的热血沸腾!)

    (本章完)

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