為什麼說「標準模型」還不完善?物理學前沿問題沒有解決?

2020-12-05 想法捕手

「標準模型」是科學史上最成功的理論,因為它能解釋所有的已知粒子。但它並不完美,因為目前看來,它無法預言任何未知的東西。

在物理學上,脫離過程的結果,都是不可取的。所以,回答這個問題,還是先明白標準模型是怎麼來的?以及它是怎麼統一三種力的?

01 量子理論的時代背景

量子物理在20世紀30年代和40年代,是空前成功的。各種相關理論,相繼橫空出世,這些理論都是開創性的認知革命。而發展到60年代,量子物理在理論上的成果明顯下降,研究者們大都淹沒在大量的粒子實驗數據上。

因為被打碎的原子碎片紛繁複雜,上百的基礎粒子被發現。物理學家提出了各種解釋方案,但大都不靠譜。這個時期的粒子物理學,被調侃為所有理論的半衰期只有兩年。

物理學研究陷入了「腳痛醫腳,眼痛醫眼」的局限中,妄圖以局部研究來解決整體問題。

02 楊-米爾斯場的出現以及阻礙

1954年,楊振寧與他的學生R.L.米爾斯,發現了描述弱力與強力相互作用的場論,即楊-米爾斯場。

楊-米爾斯場是麥克斯韋場的進一步推廣,在光的描述基礎上,增加了電荷。理論上可以對應弱相互作用的「W粒子」交換,以及強相互作用的「膠子」交換。

在理論上,楊-米爾斯場的物理描述十分令人信服,但問題出在計算上。本用來解釋強弱相互作用的楊-米爾斯場,但在計算強弱相互作用時,卻無法重整化,只會得出無窮大的結果。

為什麼?

這是因為在計算兩個粒子相互作用時,會用到一個數學技巧,稱為攝動理論。

「攝動」這個詞,本來是用來描述當一個天體圍繞另一個天體旋轉時,受到其他天體影響,軌道發生偏移的現象。

為了解決這種偏移帶來的計算誤差,數學家們發明了一種計算方式,來減小誤差,這就是攝動理論,實際上就是一種「微擾理論」。

而在粒子的相互作用時,肯定也會產生一些「微擾」,但粒子不像天體那樣具有大質量,粒子基本沒有質量,運用攝動理論計算時,就會導致無窮大的出現。

本來是用來減少幹擾,獲得近似解的巧妙方法,在量子領域卻成為了最大的誤差來源,這讓物理學家絕望地如撞南山。

03 對稱性破壞,就可以獲得額外的質量?

而20年後,傑拉德·特·胡夫特利用他論文導師馬丁紐斯·韋爾特曼的技巧,提出了「對稱性破壞」,而且存在「對稱性破壞」的粒子就能獲得額外的質量。

這裡簡單理解下,「對稱性」意味著一種能量狀態,而「對稱性破壞」意味著能量消失了,轉變成了質量。

這將攝動理論造成的危害消減,而變得無害。胡夫特的工作成果,讓楊-米爾斯場變得可重整化,也證明了楊-米爾斯場是一個明確界定的粒子相互作用理論。

隨後,一大批物理學家都先後加入到了楊-米爾斯場的完善之中,或者解答它的更深層次物理意義。才逐漸形成了我們今天對楊-米爾斯場的認知。

所以,有人說楊-米爾斯場這麼牛,為什麼楊振寧沒有靠它獲得諾獎,而是靠「宇稱不守恆」獲獎,原因就是楊-米爾斯場的真正呈現,是一大幫人的貢獻。

04 楊-米爾斯場的藝名:標準模型

楊-米爾斯場就像一個從大山裡走出來的一個潛質極佳的少年,然後成長路上磕磕碰碰,最後眾人扶持,成為了一位德高望重之人,也有了明星界所謂的藝名,就是「標準模型」。

解決了楊-米爾斯場的計算問題,使它成為了一個「解釋所有已知物質的無所不包理論」。在粒子對撞機裡找到的所有新粒子,大家都喜歡拿來用楊-米爾斯場解釋一下,所以大家親切地稱它為「標準模型」。

在「標準模型」裡,所有的力都是通過交換不同種類的量子產生的,強力、弱力、電磁力無一例外,但偏偏原本最早認識和熟悉的引力,在標準模型裡成為了一個妖孽般的存在,難以理解,無法表述。

而且「標準模型」最重點的特徵,就是粒子對稱性的基礎。

但「標準模型」比雙標男還不靠譜,是貨真價值的三標男。它的對稱性表述,有三套標準:強力一套,弱力一套,電磁力一套。

作為粒子的大統一理論,而且是靠 「對稱性」才得以起家,現在卻把自身的根本弄出三套標準,難以服眾啊。

所以即便威望仍在,但就連最狂熱的擁護者們,現在也不認為它是物質的最終理論,因為三套標準無法統一,難免給人一種拼接之感。

05 總結一下,標準模型的最大失敗。

1、當然就是解釋不了引力啦,至於所謂的引力子,一直都只是想像,從未找到。

無法與愛因斯坦相對論融合,混合後只會得出無限大的概率。

2、它只是粗糙地將三個截然不同的相互作用拼接在一起。

在我們普通人來看,似乎是統一了粒子們,但在物理學家看來,這和把大象、老鷹、鯨魚統一在一起,稱為動物,沒什麼區別。

3、它對世界的解釋不夠「經濟」。因為大自然是摳門的,不會做複雜多餘的事情,具有第一原理。

和相對論相比,愛因斯坦的方程僅需要3釐米就可以寫完,並包含了大量的實驗描述。而標準模型全部公式起碼需要書寫2/3的A4紙,而且一大堆符號,太不「經濟」了。

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