物质的内核
我们最终将探讨的观点会包含整个宇宙,但是,这些观点的根源在于粒子物理和弦理论——志在描述物质的最小组成成分的理论。因此,在开始我们的旅程,进入这些理论性极强的领域之前,让我们先来看看物质,深入其最微小的部分进行一番简单的游历。在探索原子的旅途中,我会做你的向导,请记住物质的基本建构成分以及不同物理理论所讨论的物质的大小,它们可以作为一些地标,然后,你可以根据它们识别方向,并分辨每个物理领域所关注的基本成分。
物理学中,大多数理论的基本前提是:物质是由一些基本粒子构成的。层层剥离、逐步深入之后,最终你总能发现基本粒子。这是粒子物理学家研究的宇宙,在这里,粒子是最小的元素。弦理论将这一假设再推进一步,设想那些最小的微粒是一些基本的振动弦。但即使是弦理论家,他们也相信物质是由一些微粒——其核心不可再分的实体构成的。
相信所有东西都是由粒子组成的,这或许有些困难。确实,对我们的肉眼来说,这很不明显。这是由于我们的感官能力太过粗糙,无论何时何地,都不能直接探知如原子一般微小的东西。但是,即使我们不能直接看到它们,基本粒子仍是物质的基本组成部分。就如在你的电脑或电视屏幕上,虽然呈现的是连续的图像,但这些图像实际上是由一些小点组成的。物质是由原子构成的,而原子又是由更小的基本粒子构成的。我们周围的物质看上去连续完整,但其实质并非如此。
物理学家要探查物质内部,并推导出其基本成分,首先需要技术上的进步,创造出灵敏的测量仪器。但是,每当他们开发出更为精确的技术工具,就会出现一些更细微的结构、更为基本的成分。而每次物理学家得到能够探索更小尺度的工具,都会发现还有更根本的组成成分——亚结构,构成前面已知结构元素的成分。
粒子物理学家的目标就是发现物质的最基本成分以及这些基本成分所遵循的基本物理定律。我们研究小距离尺度,是因为基本粒子就在这些尺度上相互作用,而且很容易解析出基本的力。在大尺度上,基本成分被联结成化合物,很难解析出基本物理定律,因此也就比较模糊。小距离尺度的奇妙之处就在于新的原理和新的联系只在这里适用。
物质不仅仅只是一个俄罗斯套娃,里面一个套一个都是一样的复制品,而更小的距离会揭示出真正新奇的现象。直到17世纪,在威廉·哈维等科学家将人体打开、看到里面之前,即便是人体的运行,例如心脏和血液循环,都是被错误理解的。而最近的实验对物质也做了同样的事:探索更小的距离,新的世界在那里通过更基本的物理定律运行着。正如血液循环对所有的人体活动都很重要一样,基本物理定律在大尺度上对我们同样有着重要的影响。
现在我们知道所有物质都是由原子构成的,它们通过化学过程联合在一起形成分子。
原子非常微小,大约是一埃,即一亿分之一厘米。但原子不是最基本的:它还包括一个位于中心的、带正电的原子核,原子核周围环绕着带负电的电子(如图4-1所示)。原子核比原子要小得多,只占原子大小的十万分之一。而带正电的原子核本身也是一个复合物:它由带正电的质子和中性(不带电)的中子组成,两者合称为核子,它比原子核不会小很多。
这是20世纪60年代以前科学家们所持有的有关物质的图景,也很有可能是你在学校里学到的蓝本。
原子包括一个微小的原子核和围绕原子核旋转的电子,而原子核又包括带正电的质子和不带点的中子。
尽管以后我们会看到,量子力学给出了一幅比你能画出的任何图形都更为有趣的、有关电子运行轨道的图画,可原子的这一模板还是正确的。但是,现在我们知道,即使质子和中子也不是最基本的。与我在引言里提到的盖莫夫的话相反,质子和中子还包含亚结构,一种更为基本的组成成分,叫做夸克。质子包含两个上夸克和一个下夸克,而中子包含两个下夸克和一个上夸克(如图4-2所示),这些夸克通过一种叫做强力的原子核力束缚在一起。而原子的另一组成成分——电子,却不同,就我们现在所知,它是基本的:电子不能被分成更小的微粒,里面不再含有亚结构。
质子和中子是由更为基本的夸克通过强力束缚在一起形成的。
物理学家、诺贝尔奖获得者斯蒂芬·温伯格(Stephen Weinberg)发明了“标准模型”一词来称呼已确立的粒子物理理论,它描述了物质的基本组成成分——电子、上夸克、下夸克之间的相互作用以及我们很快就将谈到的其他基本粒子。标准模型还描述了基本粒子4种相互作用力中的3种——电磁力、弱力和强力(引力通常被省略)。
虽然几百年前我们就知道了引力和电磁力,但直到20世纪后半叶,还无人知道后面这两种不太熟悉的力:弱力和强力作用于基本粒子,在核反应过程中至关重要。例如,它们是夸克束缚在一起,使原子核衰变。
如果愿意,我们还可以把引力也包括在标准模型里,但我们通常并不这样做,因为在与粒子物理相关的距离尺度上,引力实在是太微弱了,远不足以在实验所能达到的能量水平上产生任何影响。我们关于引力的通常概念,在极度高能和极小尺度上失去了作用。这对弦理论很重要,但并不出现在可测量的距离尺度。研究基本粒子时,引力只在标准模型的某些延伸里才有意义,例如,在我们后面将探讨的额外维度模型里。而在所有其他有关基本粒子的预言里,我们都可以忽略引力。
既然已进入到基本粒子世界,那我们就四处看看,参观一下邻居们的领地。上夸克、下夸克和电子位于物质核心,可是,现在我们知道,还有另外一种更重的夸克以及其他一些更重的像电子一样的微粒,它们在通常的物质里是找不到的。
例如,电子的质量只是质子质量的千分之零点五,而有一种叫做μ子的粒子,与电子有精确相等的电荷,其质量却比电子质量大200倍;另一种叫做t子的粒子,也有等量的电荷,其质量还要再大出10倍。而且,在过去的30年里,高能对撞机实验还发现了更重的粒子。为了产生它们,物理学家需要大量高度集中的能量,当今高能粒子对撞机实现了这种需要。
我知道这节是我们进入物质的游览,但我刚才所说的这些粒子并不处于物质世界的稳定物体中。尽管所有已知物质都由基本粒子构成,但更重的基本粒子并不是物质的组成部分:在你的鞋带里、桌面上、火星上或是你知道的任何其他现实物体上,你都找不到它们;它们是由当今高能对撞实验产生的,是紧随宇宙大爆炸之后早期宇宙的组成部分。
但不管怎样,这些重粒子是标准模型的基本成分。与我们熟悉的粒子一样,它们也通过相同的力互相作用,而且很可能会帮助我们更深入地了解物质的最基本物理定律。如图4-3和图4-4所示,我列出了标准模型的粒子,中微子和传递力的规范玻色子也包括在内,在第7章详细讨论标准模型的元素时再细细讲述。
同一列里的粒子电荷相等质量却不同。
没人知道为何存在标准模型的重粒子,有关它们的目的、它们在终极基本理论中发挥的作用,以及为何它们的质量与我们更为熟悉的物质组成成分的质量相差如此之大,诸如此类的问题是标准模型面临的主要未解之谜。而这还只是标准模型未能解决的众多谜题中的几个而已,例如,为什么只有4种力,而没有其他力?是否还有其他力我们未能探测到?为什么引力相比其他已知力如此微弱?
标准模型还留下了一个更为理论性的问题,这也是弦理论希望能够解答的:我们怎样将量子力学和引力在所有距离尺度上协调起来?这一问题不同于其他,它与当今可见现象无关,而是一个关乎粒子物理学内在局限的问题。
两种类型的未解问题——有关可见现象的和纯理论现象的,给了我们足够的理由去超越标准模型。尽管标准模型强大而成功,可我们仍然相信,必定还有更为基本的结构等待我们去发现,而对更为基本原理的求索也必将有所回报。就如作曲家史蒂夫·里奇(Steve Reich)在《纽约时报》上的精辟言论一样(他为自己的一个作品打的一个比方):“先只有原子,然后有质子和中子,然后又有夸克,而现在我们开始谈论弦理论。似乎每隔20、30、40、50年,就会有一扇新的大门打开,向我们展现又一层次的世界。”
当前和将来的粒子对撞机实验不再寻找标准模型的成分,因为它们都已发现了。标准模型根据它们的相互作用,已很好地组织了这些粒子,它们的全家福已经很清楚了。实验家们要找的是更为有趣的粒子。现在的理论模型包括了标准模型的成分,但为了解决标准模型的未解问题又加进了一些新的元素。我们希望现在和将来的实验能够提供线索,让我们识别它们,发现物质的真正本质。
尽管我们已经在实验和理论上了解了更根本的理论应具有的特征,但在高能实验(探索更小距离)提供答案之前,我们仍不太可能知道哪个才是对自然的正确描述。正如我们在后面看到的,理论线索表明,未来10年的实验几乎肯定会发现新的东西。它可能不是弦理论的确切证据,因为这很难找到,但我们会看到它们会是一些奇异的东西,如新的时空关系或新的却仍未发现的额外维度,它们会是在弦理论以及其他的粒子物理理论里发挥重要作用的新现象。即便我们有着丰富的集体想象力,这些实验仍有可能揭示我们从未想过的东西。它们究竟会是什么?我和我的同事们都在好奇地等待着。
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