本文，高能！

本文經授權轉載自微信公眾號「新原理研究所」（ID：newprincipia）

空間、時間、物質

......

宇宙萬物起源於138億年前的大爆炸

宇宙誕生之後

幾乎是在剎那之間

空間中的能量就會轉換成

構築萬物的最基本單元

夸克和輕子

當然，此時的宇宙也充滿了輻射

在最初的時刻

宇宙處於難以想像的高溫和高能狀態

但隨著宇宙的膨脹和冷卻

夸克和輕子最終會結合成越來越複雜的結構

原子核、原子、分子

恆星、行星、星系、星系團

逐漸登上空間舞臺

......

大約45億年前

我們腳的下星球在混亂中誕生了

又過了幾億年

生命悄然地在地球上孕育

在30幾億年的演化進程中

生命從最初的單細胞

逐漸演化出了今天數以萬億計的物種

其中包括人類

人類在統治這個星球後

開始發明、創造

甚至思考宇宙的本源

2000多年前

古希臘先哲開始思考

構成萬物的最基礎單元究竟是什麼？

是水、氣、土、火？

是以太？

還是原子？

直到上個世紀

物理學家在發明了「超級放大鏡」後

才揭開了關於物質的層層迷霧

原來

我們所熟悉的

細胞、高山、彗星

這些看似完全不同的物體

實際上都由夸克和輕子組成的

夸克和輕子

也被稱為基本粒子

意味著不可再分割

是什麼力將夸克結合在一起？

什麼是輕子？

基本粒子之間是如何相互作用的？

存在比已知基本粒子更基本的粒子嗎？

......

研究基本粒子

以及它們是如何在最小和最大的尺度下運作的學科

被稱為高能物理學或粒子物理學

高能物理學的研究對象

「小」且「高能」

前者意味著量子力學非常重要

後者意味著狹義相對論非常重要

1900年

普朗克為了解釋黑體輻射的問題

大膽假設

能量並非連續的

而是只能以一份一份的「量子」形式

被吸收或發射

從而敲響了量子世界的大門

根據量子力學

粒子的行為並不總是像粒子

有時也像波

電子或其他物質粒子的波長

由德布羅意公式給出

舉個例子

一個以10⁶m/s運動的電子

其德波羅意波長約為10⁻¹⁰米

這大約是一個原子的大小

1905年

愛因斯坦提出了重寫時空觀的狹義相對論

愛因斯坦最著名的質能關係

也源自於狹義相對論

20世紀20年代末

狄拉克在描述高速運動的電子的行為時

將狹義相對論和量子力學結合

寫下了相對論性的波動方程

狄拉克方程

該方程預言了反物質的存在

比如夸克和電子都有其反物質版本

它們質量相同但電荷相反

量子場論

是與狹義相對論相容的量子理論框架

在量子場論中

每種粒子都有與其對應的場

如電子場、膠子場、希格斯場等

這些場瀰漫在宇宙中

激發特定的場就會產生相應的粒子

例如激發電磁場

就會產生光子

當粒子間的相互作用較弱時

量子場論可以通過費曼圖來簡化計算

簡單的線條、波浪線和頂點

「幾乎革新了理論物理學的方方面面」

但當粒子間的相互作用很強時

就需要發展新的工具和技術

這對理解夸克被禁閉在質子中等現象非常必要

描述光和物質之間相互作用的量子場論

被稱為量子電動力學

描述夸克和膠子之間相互作用的理論

則被稱為量子色動力學

量子場論是現代物理學的基石之一

無論是研究電子在固體中如何相互配合

還是探索黑洞附近的彎曲時空

都需要應用量子場論

上個世紀70年代

物理學家基於量子場論

建立了粒子物理學的

標準模型

如果用一張圖表總結標準模型

看起來會非常簡潔：

但需要記住的是

簡潔的背後實際上是大量複雜的數學

比如描述物質如何參與弱相互作用

和電磁相互作用的

拉格朗日量

看起來是這樣的

標準模型的那張圖表中

顯示了已知的所有基本粒子

這些粒子可以分為兩大類

費米子和玻色子

夸克和輕子都屬於費米子

夸克有六種「味」

就好比冰淇淋有不同的口味一樣

夸克有上、下、奇、粲、底和頂

除了擁有電荷的性質

夸克還擁有色荷：紅、綠、藍

這當然與生活中的顏色無關

而是它們的一種量子性質

1964年

蓋爾曼和茨威格寫下了「食譜」

混合搭配三種不同「顏色」的夸克

可以構成無色的重子（比如質子）

夸克和反夸克則可以結合成介子

理論上

夸克和反夸克還可以組成四夸克態

甚至是五夸克態

近年來的實驗似乎已經驗證了這一點

同樣地

輕子也有六種味

電子是我們最熟悉的輕子

此外還有與電子性質完全一樣

但質量更大的μ子和τ子

電子、μ子和τ子

都有對應的中微子

中微子非常神秘

它們幾乎不與物質相互作用

因此很難捕捉到它們

太陽、超新星、地球上的粒子衰變

都是中微子的製造廠

在中微子的傳播過程中

中微子還會相互轉變身份

這一神奇的特性意味著它們是有質量

但標準模型曾告訴我們它們跟光子一樣

沒有質量

所以研究中微子或許會帶領我們

找到超越標準模型的新物理

中微子的質量從何而來？

物理學家還不是很清楚

但其他粒子的質量與瀰漫在宇宙中的

希格斯場息息相關

20世紀60年代

物理學家發現

粒子與希格斯場作用的強度

決定了它們質量的大小

夸克和W、Z玻色子

都是通過與希格斯場作用而獲得的

而與希格斯場相關的粒子正是希格斯玻色子

除了希格斯玻色子外

標準模型中還有一類玻色子叫「規範玻色子」

它們是載力粒子

物質之間的「交流」就是由規範玻色子傳遞的

電子和質子彼此間感受到的電磁力

是由光子傳遞的

夸克之所以能夠結合在一起

是因為傳遞強核力的膠子將它們

緊緊地束縛住

而支配粒子發生衰變的弱相互作用

則是由W和Z玻色子傳遞的

電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用

在不同的尺度下支配著萬物的運作

1967年

溫伯格發表了一篇標誌性的論文

《輕子模型》

這是標準模型的核心之一

在只有兩頁半紙的論文中

溫伯格統一了電磁相互作用和弱相互作用

他的理論表明

這兩種力只是「電弱相互作用」的不同方面

就好比電磁相互作用是電和磁的兩面

基本粒子非常之小

無論物理學家如何眯著眼睛

都無法用顯微鏡看到夸克

那物理學家究竟是如何「看」到它們的？

答案是粒子加速器！

肉眼之所以能看到物體

是因為可見光在物體表面反射

但顯然肉眼無法看到粒子

這是因為粒子的波長

遠小於可見光的波長

粒子的波長與能量成反比

這意味著

要研究放大10億倍的細節

就需要將粒子的能量提高10億倍

這是加速器用於研究亞原子世界的基本原理

從上個世紀30年代開始

物理學家所觸及到的能量約為100keV

eV是能量單位

1eV = 1.602176634×10⁻¹⁹J

隨著技術的進步

加速粒子的能量越來越高

能夠探索的尺度也越來越小

物理學家想要建造更大的加速器

就是為了在更高的能量探索粒子世界

希望能夠有全新的發現

加速器有許多不同的類型

比如同步加速器、回旋加速器、直線加速器

目前世界上最大的加速器是大型強子對撞機

位於法國和瑞士的邊界

在大型強子對撞機中

兩束質子會不斷的加速

在被探測器包圍的地方進行對撞

愛因斯坦的質能等價告訴我們

能量越高

就越有可能創造出

不穩定的大質量粒子

探測器的不同部件

會追蹤不同的粒子

在標準模型建立之後

加速器的高速發展陸續發現了預言的粒子

比如電弱理論預言的W和Z粒子

到了2012年

標準模型的最後一個未被發現的粒子

希格斯玻色子

終於在大型強子對撞機中被找到

但這是否意味著粒子物理學已經走到盡頭？

剩下的工作就是對理論的修修補補？

答案是否定的！

希格斯玻色子的發現是結束

也是新的開始

雖然標準模型經歷所有最嚴格的檢驗

但仍然有許多問題是它無法回答的

例如

遍布宇宙中的暗物質是什麼？

推動宇宙加速膨脹的暗能量又是什麼？

為什麼引力比其他三種基本力要弱？

為什麼宇宙主要是由物質構成的？

空間真的只有三個維度嗎？

......

為了解決這些問題

理論學家已經提出了各種不同的模型

也預言了許多新的粒子

物理學家曾經對超對稱理論寄予厚望

該理論假設

所有的費米子都有一個玻色子的超對稱夥伴

所有的玻色子也都有費米子的超對稱夥伴

如果能找到超對稱粒子

暗物質的問題似乎就迎刃而解

更令人驚喜的是

當考慮到超對稱的時候

電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用

能夠在更高的能量下統一成「大統一力」

一些粒子物理學家曾預期

在大約100GeV和1TeV能量區間

能夠找到最輕的超對稱粒子

但事與願違

大型強子對撞機

至今沒有發現任何超對稱粒子的蹤跡

儘管實驗學家沒有獲得根本性的突破

但卻不能停止理論學家的步伐

物理學家的終極目標是

找到一個「萬有理論」

將四種基本力統一到一個框架中

換句話說

物理學家希望找到一個能夠

統一量子場論和廣義相對論的理論

弦論是迄今為止最有潛力的萬有理論

它假設已知所有的基本力

都是由振動的弦組成

2020年度的狄拉克獎

授予了三位弦論物理學家

但弦論面臨著一些嚴峻的問題

比如無法被實驗直接驗證

幾十年過去了

物理學還未迎來革命性的新突破

新物理是否隱藏在下一代

更大、更強、更高能的對撞機中

這是許多高能物理學家努力奮鬥的方向

參考來源：

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

圖片素材來源：CERN/Wikimedia Commons/Quanta Magazine/Thomas Gutierrez

撰文：二宗主；校對：竹琴（中科院高能所）；圖片設計：嶽嶽

來源：新原理研究所

編輯：小米

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