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    已知最精确的科学理论是什么?相对论量子力学?都不是!

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      自古以来,人类就不断地在问自己,万物是由什么构成的?它们又是如何结合在一起的?回答这个问题的理论是人类已知最精确的科学理论,然而它却有着一个非常平淡无奇的名字——标准模型。在上个世纪的诺贝尔物理学奖中,超过四分之一都与标准模型有关。

      自建立以来,标准模型在过去的50年中经受住了重重严峻的考验,它描述了除引力之外的其它基本力以及组成所有物质的基本粒子。每一个试图超越它的尝试,都必须付出巨大的努力,而且从过去几十年尝试过的例子来看,很多都已经失败了。

      【探索基本】

      我们都知道,我们周围的世界是由分子组成的,而分子又是由原子组成的。门捷列夫在19世纪60年代就已经认识到这一点,并将所有原子排列到周期表中。但是,元素周期表中含有的不同化学元素种类多达118种

      △ 元素周期表包含了118个元素,这些元素还可以进一步被分割。| 图片来源:ANTOINE2K/SHUTTERSTOCK

      物理学家向来都喜欢简洁,他们想要看到事物的本质、并揭开它们最基本的成分。显然,100多个化学元素并不简洁。早在两千多年前的时候,古希腊的哲学家就把构成这个世界的基本单元分为四种元素:土、气、火和水。这比118个元素要简单得多,但却是错误的。

      到了1932年,科学家了解到所有的这些原子都由三种粒子——中子、质子和电子——构成的。中子和质子紧密地结合在原子核内,而质量更轻的电子则绕着原子核极速运动。于是,物理学家普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡等人发展了一种新的科学——量子力学,以解释这种运动。

      粒子的数量一下子缩减到了3个,这似乎是个令人满意的止步之处。但它们是如何结合在一起的?带负电的电子和带正电的质子通过电磁力束缚在一起。但是所有的质子全挤在核中,它们所带的正电应该将它们有力地分开才对。而中性的中子并不能起到什么作用。

      那么将质子和中子结合在一起的是什么?或许有人会认为“这是神的旨意”。但是,这种情形即使对神来说也是极大的挑战,因为祂需要密切关注宇宙中的10⁸⁰个质子和中子,并按照祂的意志将它们结合在一起。

      【粒子动物园】

      而与此同时,大自然并不满足于它的粒子动物园只有这3种粒子。算上构成光的粒子——光子的话,其实是4种。而当安德森探测到从外太空击中地球的正电子(带正电的电子)时,4又变成了5。安德森所探测到的正电子正是狄拉克曾经预言过的反物质粒子。后来,5个又变成了6个,这是因为汤川秀树预言可以将原子核束缚在一起的π介子被发现了。

      再后来,拉比发现了比电子重200倍的μ子,它的性质跟电子完全相同。这时候,这一数字已经上升到7了,似乎已经谈不上简洁了。然而,事情却远远没有结束。

      到了20世纪60年代,已经出现了数百个“基本”粒子了。排列整齐的元素周期表,被长长的重子(如质子和中子)、介子(如π介子)和轻子(如电子和中微子)列表代替——杂乱且无指导原则可言。

      在这一片混乱上蹒跚前进的是标准模型。这不是昙花一现的光辉,也没有像阿基米德从浴缸中跳出来高喊“尤里卡”(eureka:我发现了)那样灵光闪现的时刻。相反,它的出现源自于20世纪60年代中期,几位关键性的人物发表的一系列重要见解,才将这一泥潭转变为一个简单的理论。随之而来的,是五十年的实验验证和理论阐述。

      现在我们知道,夸克有6种“味”,就像对应于冰淇淋中的香草、巧克力等不同味一样,夸克有上、下、奇、粲、底和顶。1964年,盖尔曼和茨威格为我们揭示了“食谱”:混合搭配任意三个夸克可以构成重子。例如,原本我们以为是基本粒子的质子事实上是由更小的两个上夸克和一个下夸克结合而成的;中子则是由两个下夸克和一个上夸克组成的。一个夸克和一个反夸克则可结合成一个介子。一个π介子是一个上夸克或下夸克、与一个反上夸克或反下夸克的结合。

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      △ 标准模型中的基本粒子:夸克、轻子(比如电子和中微子)和载力粒子(比如光子)。| 图片来源:Fermi National Accelerator Laboratory

      有趣的是,这些夸克彼此之间总是紧密相连,你永远不会看到一个单独的夸克或反夸克。负责传递夸克之间的力的粒子被称为胶子(就好比是光子之于电磁力),而描述夸克和胶子之间相互作用的理论被称为量子色动力学。这是标准模型中至关重要的一部分,但其背后的数学却是极其困难的,以至于相关问题被列为千禧年七大数学难题之一。物理学家一直在尽全力用它来进行计算,但仍处于学习如何使用的过程中。

      标准模型的另一个核心是“轻子模型”。1967年11月20日,温伯格在《物理评论快报》上发表的这篇标志性的论文:《轻子模型》,为高能粒子物理学在20世纪后半叶的发展指明了方向。在只有两页半纸的论文中(算上参考文献和致谢在内),温伯格优雅而简洁地书写了宇宙中最深层的秘密。他将我们熟悉的电磁力和会导致特定放射性衰变的“弱核力”统一在一起,并将它们描述为同一种力的不同方面。它结合了赋予基本粒子质量的希格斯机制

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      △ 温伯格发表的论文:《轻子模型》。他的成果在当时无疑是革命性的,但却被忽略了许多年,如今,这篇论文每周至少会被引用三次。

      自那以后,标准模型预测了一次又一次的实验结果,包括发现几种夸克、以及传递弱核力的W和Z玻色子。虽然在20世纪60年代,人们曾忽略了中微子具有质量的可能性。但到20世纪90年代,中微子也被纳入了标准模型,只比其他的粒子晚了几十年加入这场粒子盛宴。

      2012年,标准模型走上巅峰,迎来了一次伟大的胜利。科学家苦苦追寻的希格斯粒子终于在粒子加速器中被找到了!这是标准模型的最后一块拼图。然而,这并不意味着结束,而是一个新的开始。

      物理学家一直在担心标准模型没有充分体现他们对简洁性的期望,担心其数学的自洽性,还有期待将引力也引入标准模型中的最终必要性。因此为了超越标准模型,物理学家已提出了很多的理论。它们都有着十分酷炫的名字,比如大统一理论、超对称和弦论等等。

      但可惜的是,这些所谓的超越标准模型的理论还没能成功地预测到任何新的实验现象。在50年后的今天,标准模型似乎还未到升级更新的时刻,这对标准模型来说是件值得庆祝的事,它仍然是迄今描述(几乎)万物最完美的理论。
      已知最精确的科学理论是什么?相对论量子力学?都不是!
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