粒子物理学乐高
如果万物都是由原子组成的,而原子又是由更小的构件组成(中子、质子和电子),那么,它们是否还能被分为更小、更基本的构件呢?历史经验告诉我们一种可以找出答案的实验方法——让这些已知的最小构件彼此猛烈相撞,看它们能否被撞碎。许多大型粒子对撞机都在尝试这个实验。然而,在日内瓦附近的CERN(欧洲核子研究组织)实验室里,即使加速到光速的99.999 999 999%,也没有丝毫迹象表明电子能被撞碎成什么更小的东西。不过,撞击质子和中子却得到了不一样的结果——它们确实是由更小的粒子所组成的,我们称之为上夸克和下夸克。2个上夸克和1个下夸克组成一个质子(见图6-1),2个下夸克和1个上夸克构成一个中子。此外,在对撞的过程中,还生成了一系列前所未知的新粒子(见图6-3)。
人们给这些新粒子起了稀奇古怪的名字,比如,π介子、K介子、Σ粒子、Ω粒子、μ子、τ子、W玻色子和Z玻色子。这些粒子十分不稳定,瞬间就会衰变成我们所熟悉的普通粒子。精细的探测器发现,在这些粒子中,除了最后4个以外,其他都是由夸克组成的——不仅有上夸克和下夸克,还有4种不稳定的新夸克,分别叫作奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。人们发现,W玻色子和Z玻色子负责传递所谓的弱相互作用力,它们与放射性有着密切的关系,还是光子的表兄弟——光子是一种玻色子,负责传递电磁力。在玻色子大家族中,还有一个成员叫作胶子,能将夸克们捆绑在一起,组成更大的粒子。而最近发现的希格斯玻色子则将质量赋予其他粒子。此外,人们还发现了一些鬼魅般的稳定粒子,如电子中微子、μ中微子和τ中微子。这“三兄弟”非常害羞,它们几乎不与其他粒子发生相互作用——如果一个中微子撞在地面上,它会直直地穿过地面,穿越地球,并从地球的另一边毫发无伤地飞出去,继续一往无前的太空之旅。最后必须要说的是,几乎所有粒子都拥有一个“邪恶”的双胞胎——反粒子。如果粒子和反粒子相撞,就会彼此湮灭成一股纯粹的能量。表6-1中总结了本书所涉及的一些重要粒子及其相关概念。
到目前为止,尚无证据表明玻色子、夸克、轻子(这是电子、μ子和τ子的家族名称),以及它们的反粒子还可继续分成更小或更基本的构件。但是,由于夸克在宇宙乐高层级(见图6-1)中位于三层以下,所以,就算你不是福尔摩斯,也会怀疑:我们无法触探更深层级的原因,是由于粒子加速器的能量不够。实际上,在第5章里我们已经提到过,弦理论正是这么想的,它认为,如果我们能用巨大的能量(大约是今天所使用能量的10万亿倍)让这些粒子相撞,我们就会发现,它们都是由振动的弦所组成。同样的基本弦以不同的方式振动,就产生了不同类型的粒子,就像同一根吉他弦按在不同的品位就会弹出不同的音调一样。弦理论的竞争对手是圈量子引力论,这个理论认为,万事万物并不是由微小的弦组成的,而是由所谓的“激发引力场的量子回圈自旋网络”构成——真拗口,如果你不懂这是什么东西也没关系,因为即使是弦理论和圈量子引力论领域内最忠实的践行者也不敢声称自己完全弄懂了这些理论……那么,万物到底是由什么构成的呢?基于目前最前沿的实验证据,答案很清楚——我们还不知道。但是,我们有充分的理由相信:目前已知的万事万物,包括时空自身的结构,最终都是由一种更加基本的构件所组成的。
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