|
上帝粒子HIGGS的前生今世（1）
最近全球科學界正在發(fā)生兩件真正的大事： 【1】 中微子被發(fā)現(xiàn)有超光速的跡象。 【2】 HIGGS上帝粒子被發(fā)現(xiàn)有存在的跡象。
第一件大事，可以動搖愛因斯坦【相對論】的基礎！百年來的物理學可能要重寫！ 第二件大事，可以基本確認【標準模型】的可靠性！于是乎，近半世紀以來粒子物理學的理論基礎【規(guī)范場理論】（Yang-Mills理論）可以得到非常堅實可靠的“實證”地位，其地位將完全可以媲美愛因斯坦的時空協(xié)變性和量子力學的波函數(shù)解釋。
對于第一件大事，99%的物理學家不相信（或者，更確切地說，不希望）它會被證實，否則，大家的江湖地位不保。。。猶如發(fā)生暴力革命一般，原先的華爾街精英，都要開始重新學習如何養(yǎng)豬種地。。。
對于第二件大事，希望其結果為陽性或陰性的物理學家的比例估計是一半對一半，其中希望HIGGS存在的應該是年齡較大的一批。。。雖然霍金年齡也不小，他卻不希望HIGGS存在，因為他本人對標準模型毫無貢獻可言！
關于第一件大事，二傻以為，其結果為陽性的概率，與“光速目前已經變大”的概率，是差不多大（?。┑?。。。如果真的發(fā)生“超光速”了，估計目前尚活在世界上的所有諾貝爾物理學獎獲得者，都必須趕緊自己去解釋其原因何在了。。。有些諾貝爾獎可能要被要求退回也沒準？嘿嘿！
關于第二件大事，象二傻這樣在寺院外看門掃地的，倒也允許評論幾句。
所謂【標準模型】到底啥意思？所謂【HIGGS】到底啥東東？
簡單地說，【標準模型】本質上是關于世界上所有物質的構成的一種【唯象&唯物】模型。（與之相對應的是類似古希臘的【土、氣、火、水】理論和中國的【陰陽】和【金木水火土】等【形而上學】理論）
人類對世界上的物質形態(tài)多樣性一直很迷惑！通過金屬冶煉和煉金術探索（化學反應），人們卻又隱隱約約覺得在物質的多樣性后面，似乎隱藏著一些共性！而對這些共性的探索，大致分化出兩種思路：
一種是【還原論】：認為物質的表觀復雜性，來源于其結構的復雜性，而組成各種復雜結構的一定是有下一層更基本的元素！而這些元素應該是不太復雜的。（這便是所謂【唯象&唯物】的所謂科學理論。）
另一種則是【關系論】：認為物質（甚至包括事物）的表觀復雜性，來源于其關系的復雜性，而組成各種復雜關系的一定是有一些基本的關系的不同組合而形成！而這些基本的關系應該是不太復雜的。（這便是所謂【形而上學】如《易經》諸如此類的理論）
這兩種思路，從古到今，都一直有人在研究。。。 二傻不知道最終哪個方向是贏家！ 到目前為止，唯象&唯物的還原論，在科學上占了絕對上風。。。只因為其成就斐然！ 下面將是對【科學的唯物&唯象的還原論】非常簡要的歷史回顧。 即便是簡要的“近代百年史”回顧，卻也有幾條獨立并行的線索，需要話分三頭說。
【話分三頭說之第一頭】 大約2500年前，【德謨克利特】就提出了【原子論】，認為所有物質都是由一種看不見、摸不著而且不可分的【原子】構成。。。后來，19世紀初【化學】的發(fā)展，【道爾頓】的新原子論和【門捷列夫】的元素周期表，一直到目前都是我們化學工業(yè)的基礎。。。
然后，對原子（元素）這個所謂不可分層次的突破線索，突然就奇跡般偶然出現(xiàn)了： 1896年，【貝克勒爾】發(fā)現(xiàn)了【放射性】！ 1897年，【湯姆遜】發(fā)現(xiàn)了【電子】！
這些新的觀測事實說明，所謂物質最基本構成的【原子】，并不是不可分的！ 于是，大家很想知道【電子】這個東東在【原子】中到底是如何存在的？
1911年，【盧瑟福】巧妙的【α粒子散射實驗】，發(fā)現(xiàn)了原子的基本結構：原來【原子】中心有個質量很大而尺寸很小的【原子核】，電子在其外面的廣闊空間里轉悠呢。。。（如果當時沒有幾乎是同時發(fā)現(xiàn)的【放射性】，即高能【α粒子】這個大自然提供的天然探索工具，那么原子結構的發(fā)現(xiàn)可能要推遲許多年）。
1918年，【盧瑟?！坑谩睛亮Ｗ印哭Z擊氮原子，發(fā)現(xiàn)可以打出【氫原子核】，卻沒有更小的東東了！這就是所謂【質子】。然后為了解釋實驗中的動量能量電荷守恒問題，他又預言了一種不帶電但質量和質子一樣大的【中子】，而【原子核】就是由【質子】和【中子】構成的！。。。這個不帶電而且容易衰變因而很難被探測到的【中子】，后來，被【查德威克】在1932年發(fā)現(xiàn)了！
【盧瑟?！康某晒?，特別是不帶電【中子】的發(fā)現(xiàn)（由于不帶電，沒有庫侖力，【中子】可以輕易打入原子核，引發(fā)裂變），激發(fā)了人們瘋狂的【原子核】轟擊實驗！于是加速器開始建造，從1930年第一臺回旋加速器建成開始，到1995年美國拒絕為超級超導對撞機SSC繼續(xù)投資，再到目前歐洲的大型強子對撞機LHC的高調運行，大多數(shù)物理學家都變成了巨型加速器工廠的設計工程師和數(shù)據分析員。。。（希望俺師兄不要生氣哦？
歐洲大型強子對撞機LHC局部（ATLAS）
【話分三頭說之第二頭】 在有一撥人拼命轟擊原子核想知道里面到底還有啥東東的時候，另一撥人卻開始了精細研究 --- 想知道電子在原子核周圍的具體分布和運動行為到底是怎樣的？有層次嗎？象太陽系嗎？云云云云。。。這個問題從【玻爾】開始，經過無數(shù)天才的共同努力，終于在1920年代末期成就了【量子力學】理論！ 其中的代表人物包括：普朗克、德布羅意、泡利、玻恩、海森堡、薛定諤、狄拉克。。。（由于此部分內容過于豐富，而且大家都略知一二，二傻擬以后另文細談）
【話分三頭說之第三頭】 老愛！大家把老愛忘了嗎？20世紀初，正當科學的主流在轟轟烈烈地探索物質基本構成和結構的同時，一個大腦袋上長著一頭亂發(fā)的專利局年輕職員，卻在偷偷研究物質存在于其中的【時間與空間】的性質！。。。唉？他竟然成了！【愛因斯坦】的【狹義相對論】，讓無數(shù)英雄盡折腰?。?I .="mso-bidi-font-.:normal">由于此部分內容過于豐富，而且大家都略知一二，二傻擬以后另文細談）
世界牛人合影的照片
前面，二傻【話說三頭】，希望大家沒有被弄糊涂： （1） 第一頭：物質的基本構成和結構； （2） 第二頭：物質基本構成（基本粒子）的運動規(guī)律； （3） 第三頭：對物質所“存在于其中”的時間、空間和質量等“背景”內涵的理解。（由于相對論將質量與時空彎曲視為一個東東，原來作為粒子內秉性質的質量，好像也可以當作“背景“的一部分？？？）
在20世紀初期的新思想、新發(fā)現(xiàn)大爆炸時期，是個人就能發(fā)現(xiàn)點重要的東東，如大民科【德布羅意】等。。。但是，唯有通曉三頭的天才，才能做出些留名幾十年的東東！其中一個最主要的人物就是【狄拉克】！他花費了很多心血，試圖將量子力學與狹義相對論統(tǒng)一起來。結果他不僅從數(shù)學上解釋了泡利所說的粒子【自旋】假說的必要性，而且預言了【反電子】的存在！這個預言的【反電子】很快就在1931年被發(fā)現(xiàn)了。（現(xiàn)在我們相信，所有構成物質的粒子（費米子），都是有其反粒子的）
同樣在1931年，泡利開始研究另外一種放射性【β衰變】，實驗發(fā)現(xiàn)該過程中的系統(tǒng)的動量、能量和角動量不能同時守恒！為了維持物理學最重要的基石【守恒律】，泡利設想：如果在【β衰變】中有一種未知粒子，它沒質量、不帶電，卻帶有能量和角動量（二傻注：真是膽大包天！簡直與民科無異！），那么三個【守恒律】就都能同時滿足了。這個東東，就是著名的【中微子】，其實人們直到1960年代才找到其存在的證據！
然后，在1934年，【湯川秀樹】為了解釋將眾多質子和中子緊密結合在小小的原子核中的那種神秘而強大的力量（因為它必須能克服質子之間的庫侖排斥力），借助量子電磁場理論中【電磁相互作用是交換虛光子】的圖像，他假設了一種能傳遞強大核力的【介子】概念。。。
然后第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了！ 前面人類已經掌握的關于原子和原子核的知識，卻已經足夠用來制造原子彈了！
二戰(zhàn)結束后，人們對原子核結構的強烈興趣繼續(xù)發(fā)酵。由于預言中傳遞核力的【介子】的質量很大，而當時的加速器能量太小，不足以發(fā)現(xiàn)它。于是，人們開始求助于天然實驗室【宇宙射線】，因為人們早知道宇宙射線中存在大量能量極高的粒子，而能夠顯示宇宙射線粒子運動軌跡的【云霧室】成為當時最重要的研究設備。
人類歷史上巨大的發(fā)現(xiàn)往往是【涌現(xiàn)】出來的！不知道這在【科學學】的研究中是否得到過一些令人信服的說法？除了1920年代量子力學爆發(fā)過這種現(xiàn)象，在1947年，這種驚人的涌現(xiàn)再次出現(xiàn)了?。ǘ底ⅲ合Ｍc羅克韋爾事件無關哦？
首先，人們終于從宇宙射線中找到了湯川秀樹在1934年預言的【π介子】存在的證據！ 而且，人們還在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量更多的所謂【μ子】以及質量巨大的【τ子】，它們除了質量更大而且會衰變，其它性質與【電子】一模一樣！ 物理學家們暈菜了：大自然為何需要不同類型的“電子”呢？
物理學家們更暈菜了：大自然為何需要不同類型的“質子或中子”呢？
在此之前，人們相信自己對宇宙萬物的構成已經很清楚：萬物皆由【質子】【中子】【電子】以及它們的反粒子構成，最多再包括一個與【β衰變】有關的怪異的【中微子】（泡利在1931年猜測的，直到1960年才被發(fā)現(xiàn)其存在的證據）。
現(xiàn)在突然發(fā)現(xiàn)在宇宙射線中存在這么多莫名其妙的新粒子，使得人們開始懷疑原先以為的構成萬物的所謂基本粒子【質子】【中子】【電子】其實不是基本的，或許它們本身也是由其它更為基本的基本粒子復合而成的？
在此大背景下，蓋曼（M. Gell-Mann）首先提出：也許，所有的核物質（當時只有【質子】【中子】、湯川秀樹的【介子】和新發(fā)現(xiàn)的所謂【奇異子】）都是由更底層的三種基本粒子構成的，他把它們叫做【夸克】，分別是【上夸克】【下夸克】【奇異夸克】（和它們的反物質對應）。質子、中子由三個夸克構成，而介子由兩個夸克構成，而各種新發(fā)現(xiàn)的奇異子也都是這些夸克的不同組合。（中國當時也有物理學家提出【層子】模型，也是類似于【夸克】這樣的底層模型建構嘗試，后來由于多種原因，無疾而終。）
蓋曼的夸克模型，并非一開始就得到大家的一致認同。但是，蓋曼在1964年預言了一種由三個【奇異夸克】構成的粒子，后來被稱作【Ω子】，真的被發(fā)現(xiàn)了！ 至此，夸克模型得到科學界的廣泛認可?。ㄇ∪玳T捷列夫的元素周期表，直到其中空缺的3個元素鎵、鍺、鈧在20世紀初被發(fā)現(xiàn)之后，才得到科學界的認可一樣。）
于是，構成宇宙萬物的“磚塊”又一下子變得簡單明了了： 萬物都是由【夸克】家族和【輕子】家族這些不同的“磚塊”構成的。 以前所知道的【質子】【中子】【介子】以及亂七八糟的【奇異子】等，都只是【夸克】的不同組合，通稱為【強子】。 而【電子】【μ子】【τ子】以及它們各自對應的【中微子】是獨立于夸克家族的，被稱為【輕子】家族。
僅僅知道構成世界萬物的各種不同基本“磚塊”顯然是不夠的！因為我們還必須了解這些“磚塊”之間的相互作用（力）規(guī)律。而人類對這兩部分的探索從來就是糾纏在一起共同發(fā)展的。
欲知后事如何，請聽下回分解！ 。。。 【補遺】：回頭看看，覺得對【自旋】的發(fā)現(xiàn)漏了一段比較重要的歷史： 如果假設所有的電子都有一個角動量（自旋慣量），則磁場中的這種分叉就可以得到完美的解釋。 泡利一開始極力反對這種“無稽之談”！
上帝粒子HIGGS的前生今世（2）
借上帝粒子HIGGS的東風，本系列關于【粒子物理近代百年史】的科普博文開篇就得到科學網隆重推薦，并得到廣大物理學愛好者的熱情褒獎，二傻喜洋洋！ 首先謝謝大家捧場！應大家要求，二傻就繼續(xù)了啊。。。 對于新來的沒看過第一篇的朋友，二傻強烈建議最好先去看完第一篇再回來哦？
話說上回，在【唯物 & 唯象的還原論】這種思想的指導下，人類對世間繽紛復雜萬物后面【簡單 & 美】的信念，經過了如下幾個認識階段： （1）遠古時代的【原子】論（德謨克利特）--- 萬物都由一種不可分的原子（ATOM）構成，所謂ATOM，其原意就是“不可分”的意思。 （2）19世紀初的近代【原子】論（道爾頓）--- 人類長期的化學探索，發(fā)現(xiàn)構成各種物質（分子）的原子其實遠不止一種！隨著時間的推移，人類目前已經發(fā)現(xiàn)的元素竟然有120多種?。?SPAN lang=EN-US>REF：門捷列夫的元素周期表） （3）哎？世界上竟然有這么多種“原子”??？正當人們?yōu)槲镔|世界的基礎重新變得復雜、從而對其最初的哲學信念（即：【簡單 & 美】應該是自然的一個基本屬性）產生一些懷疑的時候，在20世紀初，人們及時發(fā)現(xiàn)了【電子】【質子】和【中子】！而元素周期表中所有一百多種復雜而不同的【原子】（元素），其實都是由這三種【基本粒子】構成的?。?I .="mso-bidi-font-.:normal">泡利在此基礎上，加上他的【泡利不相容原理】，對元素周期表做出了完美的解釋，這是他獲得1945年諾貝爾獎的主要原因）。。。人們由此重拾對上帝或自然界【簡單 & 美】的堅定信念！ （4）如上一篇所述，這樣由【電子】【質子】和【中子】構成的“簡單”世界并沒有持續(xù)太長時間。人們在宇宙射線以及高能加速器中，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了各種太多新奇的粒子。。。出于對【簡單 & 美】這種已經被歷史“證明”是相當成功的信念，人們進一步的探索發(fā)現(xiàn)，【質子】【中子】以及其它許多新發(fā)現(xiàn)的粒子并不“基本”，而是由更底層的所謂【夸克】復合而成的。
物質結構與構成的簡化示意圖 目前，我們相信，構成宇宙萬物的基本“磚塊”如下： 萬物都是由【夸克】家族和【輕子】家族這些不同的“磚塊”構成的。 以前所知道的【質子】【中子】【介子】以及亂七八糟的【奇異子】等，都只是【夸克】的不同組合，通稱為【強子】。 而【電子】【μ子】【τ子】以及它們各自對應的【中微子】是獨立于夸克家族的，被稱為【輕子】家族。 標準模型中的基本粒子家譜
二傻在此最好將上圖解釋一下，否則大家對一大推“子”容易發(fā)暈。
（1） 構成萬物的基本“磚塊”，是左邊的所謂【費米子】家族，而費米子家族包括【夸克】家族和【輕子】家族。不同【夸克】可以復合成不同的【強子】（如：【質子】【中子】【介子】【奇異子】等）。物質的基本“磚塊”，即所謂【費米子】，是自旋為半整數(shù)的基本粒子！這樣才能受到【泡利不相容原理】約束，這些“磚塊”才不會擠在一起，我們的物質世界才不會“垮塌”！
（2） 右邊那四個，是將這些“磚塊”粘合在一起（能夠傳遞各種相互作用“力”）的那些東東，叫做【玻色子】。它們的自旋是整數(shù)的、不受【泡利不相容原理】約束，所以能夠發(fā)生【玻色-愛因斯坦凝聚】：即在一個空間點上允許存在無數(shù)多個【玻色子】。。。所以，將“磚塊”粘合在一起的“力”，原則上允許無窮大！我們這個世界才不會“散架”！ 關于這幾個【玻色子】都是些啥東東，請大家耐心往下看便是。。。
（3） 而最底層的就是那個著名的【HIGGS】。。。 大家先別急！這部分將在第（3）集再細講哦？
大家千萬不要以為人類發(fā)現(xiàn)這些東東，就象一層層打開“俄羅斯套娃”那樣簡單直接哦？關于構成萬物的基本“磚塊”的任何理論，都必須同時考察它們之間的相互作用“力”以及這些相互作用“力”的規(guī)律。否則，這些理論根本無法解釋這些“磚塊”到底是如何互相勾結并“搭建”成我們所觀察到的豐富多彩的宏觀世界！
俄羅斯套娃
事實上，正如在物理學歷史上所真切發(fā)生的那樣，在人類所認識到的“基本粒子”表和“相互作用力”表之間，始終存在著密切而且微妙的關系。。。
下面我們就順著對于【力】這個概念，簡單整理一下人類認識的歷史軌跡：
【力】這個東東，其實是人們通過在日常生活中的各種【感性認識】而得到的一種【抽象概念】--- 舉物，手臂需要用“力”；爬山，腿腳需要用“力”；人在地上有“重力”，而人在水中有“浮力”；兩塊獸皮摩擦會產生“電力”，而天然磁石之間又有“磁力”。。。。。。至于這些“力”到底是啥？它們之間的關系如何？人們其實并不清楚?。?I .="mso-bidi-font-.:normal">希望科學網上至少沒人會把“魅力”也當作一種“力”吧？哈哈！）
人類對【力】第一次有了一種科學的系統(tǒng)的理論認識的，應該算是【牛頓】的萬有引力！--- 凡是帶有【質量】的東東，它們之間都存在一種【引力】，其相互作用規(guī)律就是牛頓的萬有引力定律！牛頓的發(fā)現(xiàn)，確確實實讓人們感到自己窺視到了一點點【上帝（自然）之美】！
牛頓在自己家構造了一個太陽系模型，十分精致！ 有朋友到訪，看到此模型，大為驚嘆：“呀！如此精妙的模型，誰造的？” 牛頓曰：“天然的！” 朋友不信：“如此美妙的東東，怎可能是天然的？” 牛頓又曰：“那，比這更精妙萬倍的真實的太陽系，為啥就是天然的呢？”
人類對【力】第二次重要的飛躍性認識，應該是各種【化學力】的發(fā)現(xiàn)！ 如前述，人類在日常生活中，早就“感覺”到了各種“力”：除了能遠距離感受到的重力（萬有引力）之外，還有許多近距離的諸如浮力、摩擦力、空氣阻力、將各種物質黏合在一起的“粘合力”、用手推物體的“體力”、煮水時出現(xiàn)的“蒸汽壓力”，等等等等。。。 在【道爾頓】新原子（分子）論出現(xiàn)之后，人們漸漸認識到這些亂七八糟的各種“力”，其實都是組成物質的各種中性【分子】之間所存在的一種【短程力】的后果，這種短程力被稱為【范德瓦爾斯力】。而將不同【原子】粘合成【分子】的，則是各種各樣復雜的短程【化學鍵（力）】。
人類對【力】第三次最重要的飛躍性認識，應該歸功于【麥克斯韋】！ 如前述，遠古的人類就知道兩塊獸皮摩擦會產生“電力”，而天然磁石之間又有“磁力”，還有天上老會出現(xiàn)嚇人的“雷電力”。。。 經過無數(shù)天才的努力，人類終于在【麥克斯韋】這里達到了認識的巔峰！ 至此，人類認識到：【電力】和【磁力】其實是同一種力【電磁力（相互作用）】的不同表現(xiàn)，甚至【光】都是一種【電磁波】?。?SPAN .="color:blue">這段科學史極其精彩，它對現(xiàn)代工業(yè)的影響、包括對20世紀相對論、量子力學以及規(guī)范場理論的理論貢獻，都完全需要另文專著！ 二傻竊以為：如果中微子“超光速”被證實，人類很可能要回到麥克斯韋理論，重新開始漫長而艱難的探索旅程。。。那時候，估計【尼古拉-特斯拉】的一些封存理論可以公諸于世了。。。嘿嘿！）
人類對【力】第四次重要的認識，就是在19世紀末20世紀初【電子】和【原子結構】被發(fā)現(xiàn)之后。由于帶正電的【原子核】與帶等量負電荷的【電子】們在原子中的“整體電中性”，當兩個原子相距很遠的時候，它們之間是沒有【電磁相互作用】的；但是，由于正電荷與負電荷在原子內部分布的不均勻（原子核集中在中心狹小區(qū)域，而多個電子在外圍廣闊空間游蕩），當兩個原子相距很近的時候，這種不均勻的電荷分布就會產生一些“剩余”的電磁力外泄 --- 這便是所有所謂【化學鍵】和【范德瓦爾斯力】的起源！
至此，人類終于將無數(shù)亂七八糟林林總總的“力”，歸結為兩種基本的相互作用: 【1】 萬有引力相互作用 【2】 電磁相互作用 其它所有的“力”，都是這兩種相互作用的不同層次的表現(xiàn)而已！真?zhèn)ゴ螅?/SPAN>
MY GOD！ IT’S REALLY PERFECT！
大家先別急著叫好！在繼續(xù)往下講之前，二傻覺得必須暫停一下。 也許應該先把幾個重要的“物理圖像”澄清清楚為好，否則后面還是容易犯迷糊？
首先，【力】必須是有“力源”的！對吧？ 【萬有引力】的“力源”就是【質量】；【電磁力】的“力源”就是【電荷】。
其次，【力】的傳遞是需要“媒介”的，對吧？ 哎？那個誰說了：萬有引力就不需要媒介，是一種【超距作用】！ 哎？哪個誰又說了：俺知道所有力的媒介都是【以太】！
哈哈！這些大概是【牛頓】和【笛卡爾】說的吧？ 都啥時候的事了！ 還記得我們講到目前這個階段，已經是啥年代了嗎？ 已經是20世紀初了嘢！愛因斯坦的相對論已經出來了嘢！哈哈！
長話短說，由于老愛的狹義相對論說了：“超光速不允許存在！” 關于【力】的傳遞是需要“媒介”的這個“假說”，反正成為了現(xiàn)代物理學的基本共識！只是我們比以前的【以太說】更進步的地方在于： 不同的“力”需要不同的“媒介”來傳遞，我們把它們稱為【場】 --- 傳遞萬有引力的叫【引力場】， --- 傳遞電磁力的叫【電磁場】 OK？
MY GOD！ IT’S REALLY WONDERFUL！
大家先別急著歡呼！還有個重要概念沒講呢。 還記得我們講到目前這個階段，已經是啥年代了嗎？ 已經是20世紀初了嘢！【量子力學】已經出來了嘢！哈哈！
在量子力學創(chuàng)建初期，人們就發(fā)現(xiàn)電磁場必須是【量子化】的！就是說原來連續(xù)的【電磁波】必須被看成一個個量子化的【光子】才行！否則無法用偉大的【麥克斯韋方程組】來完美解釋【黑體輻射】的功率譜，也無法解釋【光電效應】（愛因斯坦沒有因為【相對論】得諾獎，卻因為【光電效應】得了諾獎。。。這部分內容亦是極為精彩，需要另文詳細解說）
另外，大家還記得【狄拉克】嗎？ 就是試圖把【相對論】和【量子力學】結合在一起并預言了【反電子】的那個？ 從狄拉克開始，又是一大堆天才（包括Feynman、Schwinger、朝永振一郎等）的共同努力，終于成功地將【（狹義）相對論】、【量子論】和【麥克斯韋的電磁場理論】結合在一起了，結果就是人類目前最最偉大的理論之一：【量子電動力學】?。ê喎QQED）。。。其對于【精細結構常數(shù)】的理論計算與實驗測量之間的誤差，據說目前達到了嚇人的小數(shù)點之后十幾位?。?！
哎？哪個誰說了：二傻是不是跑題了??？什么亂七八糟的！ 哈哈！其實二傻正要講一個重要概念。那就是， 在【量子電動力學】獲得巨大成功之后，物理學家們漸漸建立起了這么一個基本圖像： 所有傳遞【相互作用力】的【場】，其實都是有其相應的【場量子】在實施傳遞作用的！ 對于【電磁場】而言，這個【場量子】就是【光子】！ （對于【引力場】而言，它就是【引力子】。。。這是后話，麻煩較多，暫且按下不表）
好了！可以繼續(xù)了。。。 在繼續(xù)之前，大家千萬記住以下幾個概念或圖像哦： （1）【力】的出現(xiàn)是有源的，其源為【荷】（電荷、質量） （2）【力】的傳遞是有媒的，其媒為【場】（電磁場、引力場） （3）【場】的作用是量子化的，其作用傳遞子為【場量子】（光子、引力子）
MY GOD！ IT’S REALLY INCREDIBLE！
大家是否還記得，在這之后，人類又預言且發(fā)現(xiàn)了啥新東東？ ---【β衰變】中的【中微子】！ --- 宇宙射線中的各種【π介子】【μ子】【τ子】和【奇異子】！ 這些新東東，顯然無法用以前人類所知道的【萬有引力】或【電磁相互作用】得到合理的解釋！
先不談【β衰變】。。。 大家還記得【蓋-曼】對于宇宙射線中各種新發(fā)現(xiàn)的粒子提出的【夸克】假說吧？就是說：原先以為最基本的【質子】【中子】（包括【介子】和【奇異子】們）其實并不基本！它們都是由更基本的底層粒子【夸克】們復合而成的！為了解釋實驗觀測到的種種現(xiàn)象，人們猜測應該有如下六種“味道”的【夸克】:
上夸克u、下夸克d、奇異夸克s（蓋-曼最初預言的） & 糜夸克c、底夸克b、頂夸克t（后來補充的）
比如： 【質子】就是由三個【夸克】（uud）復合而成的； 【中子】也是由三個【夸克】（ddu）復合而成的。
這些夸克的名字不重要！其實就是亂起的！ （比如：【Charm】夸克，中國人就有叫【糜夸克】或【魅夸克】或【燦夸克】或【璨夸克】或【嬋夸克】的。。。嘿嘿?。?/SPAN> 重要的是它們的性質！ 而且千萬別忘了，本篇的主題是講【相互作用力】的哦？ 讓我們直接進入本節(jié)的主題: 【質子】是帶1個電荷的，對吧？【中子】是電中性的，對吧？ 如果它們都是由三個不同夸克復合而成，那么， 【夸克】應該是帶1/3或2/3電荷（或正或負），對吧？
好！問題出來了！ 由于電荷之間存在“同性相吸、異性相斥”的【電磁力】，那些同樣的【夸克】是如何被“粘合”在小小的【質子(uud)】或【中子(ddu)】里面的呢？？？
一定存在一種比【電磁力】更強的【力】，才能將【夸克】們粘合起來！ 這種新的【力】，就叫【強力】！（強相互作用）
現(xiàn)在讓我們回過頭再復習一下剛才所說的關于【力】的幾大通用要素： （1）【力】的出現(xiàn)是有源的，其源為【荷】（如：電荷） （2）【力】的傳遞是有媒的，其媒為【場】（如：電磁場） （3）【場】的形式是量子化的，其作用傳遞子為【場量子】（如：光子）
那么，【強力】的“源”、“媒”和“子”都是啥呢？ 我們稱之為： （1）【強力】的出現(xiàn)是有源的，其源為【色荷】 （2）【強力】的傳遞是有媒的，其媒為【強場】（亦稱【膠子場】） （3）【強場】的形式是量子化的，其作用傳遞子為【膠子】
由此，物理學家們模仿【量子電動力學QED】建立起了【量子色動力學QCD】。 只是QCD要比QED復雜很多！ 比如： 【電荷】只有兩種：或正或負； 而【色荷】卻要求有六種：紅、綠、藍（模仿三原色起的名字），和它們的反色。 【光子】只有一種； 而【膠子】卻要求有8種！
哇塞！真復雜！ 可惜即使到現(xiàn)在，我們也還沒有談到【β衰變】吧？ 這便要涉及到另外一種【力】--- 【弱力】（弱相互作用）。。。
1896年，貝克勒（A. H. Becquerel）發(fā)現(xiàn)鈾的放射性；1897年，盧瑟福（E. Rutherford）和約瑟夫·湯姆孫（J. J. Thomson）通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉，發(fā)現(xiàn)鈾的放射線有帶正電，帶負電和不帶電三種，分別被稱為α射線，β射線和γ射線，相應的發(fā)出β射線衰變過程也就被命名為【β衰變】。
經過許多人的努力，包括在1930年預言了【中微子】的泡利、在1934年首先建立了【中子β衰變理論】的費米、以及1958年費曼和蓋爾曼與馬爾薩克和蘇達珊兩組理論家?guī)缀跬瑫r提出的“V－A”理論，改進了費米理論。。。。。。
簡言之，在【β衰變】過程中，實際上發(fā)生的事情是原子核中的一個【中子】變成了【質子】，同時放出【電子】和【中微子】。
在當時的那個年代，這意味著什么？ 這意味著存在一種新的【力】，它完全不同于已知的【萬有引力】和【電磁力】。 它能在原子核內，將【中子】變成【質子】！ 這種新的短程【力】，人們稱之為【弱力】（弱相互作用）。
在【強子】的【夸克】模型建立起來后，人們對這種【弱力】的性質就更加清楚了： 由于【中子】是udd夸克的復合粒子，在β衰變發(fā)生時，中子（udd）內的一個下夸克d在釋放一【W玻色子】后，隨即衰變成一上夸克u，于是中子（udd）就變成了質子（uud）。隨后W玻色子衰變成一個電子及一個中微子。
于是乎，按照前述關于力的通用規(guī)則，對于這種能引起【夸克】改變其“種類”（學名叫【味】）的【弱相互作用（力）】： 其“源”（弱荷）乃稱做“味”（就是夸克的6個種類：u,d,s,c,b,t）； 其“場”自然就叫“弱相互作用場”； 其“子”自然就叫“弱相互作用玻色子”。。。 OK？
對【弱相互作用】的后續(xù)研究，引發(fā)了上世紀后半頁真正偉大的東東。。。（再往下就要涉及諸多真經了！所謂的上帝粒子HIGGS和偉大的規(guī)范場理論都要出場了。。。二傻準備在本系列的第3集再深入討論之）
總結一下，到目前為止，人類以為： 【結論1】世界上所有的物質，都是由【費米子】“磚塊”復合而成的，這些“磚塊”包括【夸克】家族和【輕子】家族。 【結論2】將各種“磚塊”粘合在一起的，是各種【玻色子】，這些【玻色子】其實是各種相互作用力場的量子化作用“傳遞子”。 【結論3】世界上的所有相互作用（力場），無論是宏觀的還是微觀的，都可以歸結為四種基本相互作用（我們把其“源”、“場”和“子”一并寫出）如下：
l 萬有引力（質量、引力場、引力子） l 電磁相互作用（電荷、電磁場、光子） l 弱相互作用（味荷、弱矢量場、弱矢量玻色子） l 強相互作用（色荷、膠子場、膠子）
大家暈菜了吧？這么復雜？ 數(shù)數(shù)我們現(xiàn)在有多少種“基本粒子”（還不包括萬有引力）: （1） 作為“磚塊”的【費米子】：有6種【味道】的夸克，每種味道的夸克又可以有三種不同【顏色】，這就有18種夸克！再加上6種輕子，我們共有24種“磚塊”！ （2） 作為“粘合劑”的【玻色子】：1種光子、3種弱玻色子、8種膠子，我們共有12種“粘合劑”！
哎？哥們！總共有36種“基本粒子”嘢？！ 是不是有點太多了啊？！ 怎么離最初那個所謂的【上帝之簡單&美】越來越遠了呢？！ 哈哈！看來是【YANG-MILLS規(guī)范場理論】隆重登場的時候了。。。 |
|
|
