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w粒子和z粒子可以放在一起来讲述
没有它们
行星就不会发光
在太阳的核心
w粒子尤为重要
它在质子转化为中子时发挥了重要作用
刀核形成过程
将质子转化为中子
其反过程并不是这种弱粒的唯一作用
它负责自然界基本粒子之间数百种不同的相互作用
其中许多已经在欧洲核子研究中心的实验中进行了研究
除去太阳光芒
w和z的作用在日常生活中并不那么明显
这一点更像交子
中微子只能通过w和z粒子产生相互作用
正因如此
我们很难捕捉到它们
如上一章所讲的
每秒有几十亿个中微子穿过大脑
而你什么也感觉不到
原因就在于w粒子和z粒子所携带的粒是极其微弱的
你肯定已经猜到了
我们把它命名为弱粒
讲述至此
我们也只是列出了在主方程中玩耍的粒子
十二个物质粒子被事先安插到了理论中
为什么会有十二个粒子呢
我们对此一无所知
二十世纪九十年代
欧洲核子研究中心对z粒子衰变为中微子的过程进行了观察
有证据表明
物质粒子确实不超过十二个
然而只有其中的四个
上夸克和下夸克
电子和电子
中微子好像才是宇宙构建所必须的
那么其他八个的存在就显得有点神秘了
我们怀疑他们在极早期宇宙中扮演了重要角色
但是他们又是如何参与到当今宇宙中的呢
这是物理学中的一个重大问题
尚未有明确答案
汉弗莱
戴维的观点
蔚畏挑战
在标准模型中
这十二个物质粒子都是基本粒子
它们不能被拆分成更小的部分
它们是构筑的砖块
这看起来与常识相违背
小颗粒可以被切成两半
这是很自然的事情
但是量子理论就不是这样
再次表明常识不能指导我们走向基础物理
在标准模型中
粒子没有结构
他们被认为是一些点问题
暂时这样解决
在未来的某个时候
也许可能会出现一个实验
表明夸克可以分裂成更小的部分
但关键是
夸克不一定是这样的
点状粒子很有可能是故事的终点
子结构问题毫无意义
总之
一大堆粒子组成了我们的世界
主方程是理解它们如何相互作用的关键
尽管我们一直在说粒子粒子
但比较微妙的一点是
粒子这个词可能不恰当
这些粒子不是通常意义上的粒子
它们不会像缩小的台球一样相互弹碰
相反
它们更像游泳池表面的水波一样相互作用
这些水波在池子的底部产生晃动的光影
这好像是说
这些粒子在保持粒子特性的情况下
还具有波的特性
这种粒子与波结合的画面起源于量子力学
与直觉极其相悖
然而
主方程严格即以数学形式规定了这些相互作用的波动特性
可是
当我们写下主方程的时候
我们究竟写了什么
该如何理解它
主方程又起源于哪些原理
在解决这些非常重要的问题之前
让我们更深入的去研究下主方程
了解它的真实含义
主方程的第一行
代表w粒子
z粒子
光子和交子所携带的动能
这行告诉我们这些粒子是如何相互作用的
有一点我们还没提起
但确实
在方程里面
交子可以与其他交子相互作用
w粒子和z粒子可以相互作用
w粒子也可以与光子相互作用
但光子和光子的作用却没有
事实上
他们确实没有相互作用
我们很幸运
因为假使他们之间有相互作用的话
我们就很难再看到东西
也就是说
我们能读这本书
全仰仗于光子这样了不起的性质
奇妙的是
从本书中发出的光
在进入眼睛前
不会因其他光子周围转眼就可以看到的物体发出的光子的挡道而发生偏离
光子径直划过
彼此透明
这方程的第二行包含大部分作用
它描述物质粒子是如何相互作用的
其中包含由光子
w粒子
z粒子以及焦子传递的相互作用
还包含了物质粒子的动能项
我们暂时放一放主方程的第三和第四行
正如我们所强调的
除重力外
主方程暗藏着其他所有的基本物理定律
十八世纪末
查尔斯
奥古斯丁
德库伦用公式描述的静电排斥就在这里
暗藏在前两行中
同样
整个电学和磁电也在这里
当我们询问主方程带电粒子的相互作用时
法拉第的理解和麦克斯维优美的方程都会浮现出来
当然了
这里所有的结构都以爱因斯坦的狭义相对论为基础
事实上
标准模型中描述光和物质相互作用的部分被称为量子电动力学
量子的意思是指麦克斯韦的方程组必须用量子理论来修正
这些修正很小
却引起了微妙的效果
二十世纪中叶
理查德
费曼等人首次对此做了探索
除此之外
主方程还包含有关强相互作用力和弱相互作用力的物理内容
他详细明确了这三种力的特性
这意味着自然的规则被数学方法精确的表述了出来
没有半点歧义和冗余
因此
除了万有引力外
我们的理论似乎接近了大统一理论
毫无疑问
没有人从实验中或对从宇宙的观察中发现任何证据表明宇宙中存在第五种相互作用力
绝大多数日常现象都可以用电磁学和万有引力定律完美解释
弱相互作用力使太阳保持燃烧
但却很少在我们日常生活中发挥作用
强相互作用力使原子核保持完整
但几乎没有从原子核走出来
把它的巨大威力延伸到宏观世界上来
像桌子和椅子这样的固体属性
实际上是一种错觉
它是由电磁力产生的
实际上
物质内部绝大部分是空的
对于一个原子
若把原子核想象为一颗豌豆
那么电子就是距离豌豆一千米的一粒高速运动的沙粒
除此之外
原子都是空的
把电子比作沙粒有些牵强了
应该知道的是
它更像波
而不是沙粒
这里采用砂粒的类比
意在烘托原子与原子核的大小对比
当我们用一个原子的电子云推动隔壁绕河呼啸运行的电子云时
物质的固体属性就产生了
因为电子是带电的
所以电子云会相互排斥
并阻止原子通过
即便是它们基本上是空的也没有用
当我们透过玻璃窗向外看时
就会很容易发现一条物质为空的线索
虽然玻璃是固体
但光能轻而易举的穿过
带给我们窗外世界的图像
事实上
我们更应该感到惊讶的是
为什么木头不是透明的
能把那么多的物理理论塞进一个方程
确实令人印象深刻
这充分体现了维格纳的数学极不合理的有效性
为什么这个世界不能再复杂一点
为什么我们可以把庞杂的物理浓缩成一个方程
为什么不需要一个复杂编目的数据库和百科全书
没有人知道大自然为什么允许我们以这样的方式对其进行概括
当然
正是它内在的优美和简洁吸引了大量的物理学家沉浸在自己的工作中
因此
在提醒自己大自然不会屈服于这种美妙的简化之前
我们可以暂时陶醉于自然被揭示的大美之中