為什麼說粒子物理標準模型存在巨大缺陷?

2020-12-18 火星科普

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粒子物理標準模型

作為現代物理學的最高成就,粒子物理標準模型無疑取得了巨大的成功。在當今世界各種粒子加速器中,粒子之間的碰撞行為都在標準模型的預測之中。粒子加速器越強大,實驗值和理論值越接近。

那麼,什麼是粒子物理標準模型?這套理論是如何創立的?它有多強大?

在自然界中,無論力的作用是怎樣的,從根本上都可以歸咎為四種基本力:主宰天體的引力、主宰帶電粒子的電磁力、主宰原子核的強核力和弱核力。

這四大基本力都有各自的理論進行描述,例如,引力由廣義相對論來描述,電磁力由麥克斯韋電磁場方程組來描述。但包括愛因斯坦在內的物理學家認為,四大基本力在本質上是統一的,可以由同一個理論來描述。但縱然是愛因斯坦,他終其一生也沒能完成大統一理論。

愛因斯坦想要統一引力和電磁力,始終沒有成功。後來的物理學家從其他角度入手,大統一理論開始有了起色。

楊振寧建立了楊米爾斯理論,這為後來的電磁力和弱核力統一奠定基礎。電弱統一之後,強核力通過量子場論被統一起來。最終,物理學家得到了統一電磁力、弱核力和強核力的粒子物理標準模型。正因為如此,楊振寧在史上最偉大的物理學家中可以排到前20名,他對現代物理學的貢獻無疑是巨大的。

一個好的理論不僅能夠準確描述已有的現象,而且還能預言未知的東西。標準模型預言,物體質量一部分源自於希格斯玻色子,這個粒子最終在大型強子對撞機中被發現。在標準模型中,總共存在著61種基本粒子,它們決定了這個世界的構成。

儘管標準模型大獲成功,但它存在巨大的缺陷,這個理論不可能是物理學家追求的終極大統一理論,這是為什麼呢?

原因在於引力還沒有被量子化,或者說描述引力的廣義相對論和量子力學無法統一。無論是廣義相對論,還是量子力學,它們在各自範圍內都是成功的理論,但它們之間就是無法兼容。大統一理論必然是涵蓋了四大基本力,廣義相對論、粒子物理標準模型都只是大統一理論的近似。

那麼,大統一理論究竟是怎樣的呢?

為了追求大統一理論,物理學家還在不懈努力,目前已經提出了一系列的模型,其中最受關注的理論莫過於弦理論。

在弦理論中,標準模型所認為的基本粒子並不基本,它們都是由尺寸極小的一維弦構成。一維弦具有不同的振動方式,從而表現出不同的性質,這成了我們所觀測到的各種粒子。

但遺憾的是,目前並沒有實驗證據能夠支持弦理論,這個理論還只是一個十分高深的數學遊戲。因為弦理論所涉及的尺度太小,只有更高的能量才有可能敲開粒子的更深次結構,目前的粒子極速器都無法達到。

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